DE102016101909A1 - Schaltkreis und Halbleiterbauelement - Google Patents

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Abstract

In einer Ausführungsform weist ein Schaltkreis einen Eingangsdrainknoten, einen Eingangssourceknoten und einen Eingangsgateknoten und einen Hochvolt-Transistor, der einen zu einer Hybrid-Diode parallel gekoppelten Strompfad aufweist. Die Hybrid-Diode weist einen Transistor vom Verarmungstyp auf, der mit einer Diode in Reihe gekoppelt ist und betriebsfähig in einer Kaskodenanordnung mit dem Eingangssourceknoten gekoppelt ist.

Description

  • HINTERGRUND
  • Bislang wurden Transistoren, die in elektronischen Leistungsanwendungen verwendet werden, typischerweise mit Silizium-Halbleitermaterialien (Si-Halbleitermaterialien) gefertigt. Herkömmliche Transistorbauelemente für Leistungsanwendungen umfassen Si-CoolMOS, Si-Leistungs-MOSFETs und Si-Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode (IGBTs). In jüngerer Zeit wurden Siliziumkarbid-Leistungsbauelemente (SiC-Leistungsbauelemente) in Betracht gezogen. Gruppe-III-N-Halbleiterbauelemente, wie z.B. Galliumnitrid-Bauelemente (GaN-Bauelemente), stellen sich nun als attraktive Kandidaten heraus, um hohe Ströme zu führen, hohe Spannungen zu unterstützen und einen sehr niedrigen Durchlasswiderstand und schnelle Schaltzeiten bereitzustellen.
  • KURZDARSTELLUNG
  • In einer Ausführungsform weist ein Schaltkreis einen Eingangsdrainknoten auf, einen Eingangssourceknoten, einen Eingangsgateknoten und einen Hochvolt-Transistor, der einen zu einer Hybrid-Diode parallel gekoppelten Strompfad aufweist. Die Hybrid-Diode weist einen Transistor vom Verarmungstyp auf, der mit einer Diode i Reihe gekoppelt ist und betriebsfähig bzw. operativ in einer Kaskodenanordnung mit dem Eingangssourceknoten gekoppelt ist.
  • In einer Ausführungsform weist ein Halbleiterbauelement einen Eingangsdrainknoten, einen Eingangssourceknoten, einen Eingangsgateknoten und einen Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistor, der einen zu einer Hybrid-Diode parallel gekoppelten Strompfad aufweist, und ein Silizium-basiertes Substrat auf. Die Hybrid-Diode weist einen Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistor vom Verarmungstyp auf, der mit einer Diode in Reihe gekoppelt ist und betriebsfähig bzw. operativ in einer Kaskodenanordnung mit dem Eingangssourceknoten gekoppelt ist. Der Gruppe-III-Nitrid-basierte Hochvolt-Transistor weist eine Vielzahl von Transistorzellen auf, die zueinander parallel verbunden sind. Der Gruppe-III-Nitrid-basierte Transistor vom Verarmungstyp weist eine von den Transistorzellen oder eine vorgegebene Anzahl von den Transistorzellen auf, die parallel gekoppelt sind. Die Diode ist zumindest teilweise in dem Silizium-basierten Substrat angeordnet.
  • Ein Fachmann wird bei der Lektüre der nachstehenden ausführlichen Beschreibung und bei Ansicht der begleitenden Zeichnungen zusätzliche Merkmale und Vorteile erkennen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Elemente der Zeichnungen sind in Bezug aufeinander nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechend ähnliche Elemente. Die Merkmale der verschiedenen dargestellten Ausführungsformen können kombiniert werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Ausführungsformen sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden in der nachstehenden Beschreibung erläutert.
  • 1 zeigt einen Schaltplan eines Schaltkreises gemäß einer ersten Ausführungsform.
  • 2 zeigt einen Schaltplan eines Schaltkreises gemäß einer zweiten Ausführungsform.
  • 3a zeigt eine schematische Ansicht einer Anordnung zum Bereitstellen des in 1 und 2 dargestellten Schaltkreises.
  • 3b zeigt eine schematische Ansicht einer Anordnung zum Bereitstellen des in 1 und 2 dargestellten Schaltkreises.
  • 3c zeigt eine schematische Ansicht einer Anordnung zum Bereitstellen des in 1 und 2 dargestellten Schaltkreises.
  • 4a zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements.
  • 4b zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements.
  • 5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements von 4a.
  • 6 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements.
  • 7 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements.
  • 8 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • In der nachstehenden ausführlichen Beschreibung wird Bezug auf die begleitenden Zeichnungen genommen, die einen Teil der Beschreibung bilden und in denen konkrete Ausführungsformen, in denen die Erfindung genutzt werden kann, zur Veranschaulichung gezeigt sind. In dieser Hinsicht wird Terminologie, die sich auf Richtungen bezieht, wie z. B. „oberer“, „unterer“, „vorderer“, „hinterer“, „führender“, „nachlaufender“ usw., mit Bezug auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten der Ausführungsformen in einer Vielzahl von verschiedenen Ausrichtungen angeordnet sein können, wird die Terminologie, die sich auf Richtungen bezieht, zu Veranschaulichungszwecken verwendet und ist keineswegs einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und bauliche oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die nachstehende ausführliche Beschreibung der Erfindung soll nicht in einem einschränkenden Sinne verstanden werden und der Umfang der vorliegenden Erfindung ist durch die beigefügten Ansprüche definiert.
  • Einige Ausführungsformen werden nachstehend erläutert. In diesem Fall werden identische strukturelle Merkmale durch identische oder ähnliche Bezugszeichen in den Figuren gekennzeichnet. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung sollte „seitlich“ oder „seitliche Richtung“ derart verstanden werden, dass sie eine Richtung oder Erstreckung bedeutet, die im Allgemeinen parallel zu der seitlichen Erstreckung eines Halbleitermaterials oder eines Halbleiterträgers verläuft. Die seitliche Richtung erstreckt sich daher im Allgemeinen parallel zu diesen Flächen oder Seiten. Im Gegensatz dazu wird der Begriff „vertikal“ oder „vertikale Richtung“ derart verstanden, dass er eine Richtung bedeutet, die im Allgemeinen senkrecht zu diesen Flächen oder Seiten und daher zu der seitlichen Richtung verläuft. Die vertikale Richtung verläuft daher in der Dickenrichtung des Halbleitermaterials oder des Halbleiterträgers.
  • Wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen die Begriffe „gekoppelt“ und/oder „elektrisch gekoppelt“ nicht bedeuten, dass die Elemente direkt miteinander gekoppelt sein müssen – Zwischenelemente können zwischen den „gekoppelten“ oder „elektrisch gekoppelten“ Elementen vorgesehen sein.
  • Im Fall von n-Kanal-Bauelementen weist ein Bauelement vom Verarmungstyp (depletion mode), wie z.B. ein Hochvolt-Transistor vom Verarmungstyp, eine negative Schwellenspannung auf, was bedeutet, dass es Strom bei einer Gatespannung gleich Null leiten kann. Diese Bauelemente sind normalerweise eingeschaltet (normally on). Für n-Kanal-Bauelemente weist ein Bauelement vom Anreicherungstyp (enhancement mode), wie z.B. ein Niedervolt-Transistor vom Anreicherungstyp, eine positive Schwellenspannung auf, was bedeutet, dass es keinen Strom bei einer Gatespannung gleich Null leiten kann und normalerweise ausgeschaltet ist (normally off).
  • Wie hier verwendet, bezieht sich die Formulierung „Gruppe-III-Nitrid“ auf einen Verbindungshalbleiter, der Stickstoff (N) und mindestens ein Gruppe-III-Element umfasst, das Aluminium (Al), Gallium (Ga), Indium (In) und Bor (B) umfasst, und der beliebige Legierungen davon umfasst, wie zum Beispiel Aluminiumgalliumnitrid (AlxGa(1-x)N), Indiumgalliumnitrid (InyGa(1-y)N), Aluminiumindiumgalliumnitrid (AlxInyGa(1-x-y)N), Galliumarsenidphosphidnitrid (GaAsaPbN(1-a-b)) und Aluminiumindiumgalliumarsenidphosphidnitrid (AlxInyGa(1-x-y)AsaPbN(1-a-b)), jedoch nicht darauf beschränkt ist. Aluminiumgalliumnitrid bezieht sich auf eine Legierung, die durch die Formel AlxGa(1-x)N, wo x < 1, beschrieben ist.
  • 1 zeigt einen Schaltplan einer Schaltung, insbesondere eines Schaltkreises 10, gemäß einer ersten Ausführungsform. Der Schaltkreis 10 umfasst einen Eingangsdrainknoten 11, einen Eingangssourceknoten 12, einen Eingangsgateknoten 13, einen Hochvolt-Transistor 14 und eine Hybrid-Diode 15. Der Hochvolt-Transistor 14 umfasst einen Strompfad 16, der zu der Hybrid-Diode 15 parallel gekoppelt ist. Die Hybrid-Diode 15 umfasst einen Transistor 17 vom Verarmungstyp, der in Reihe mit einer Diode 18 gekoppelt ist. Der Transistor 17 vom Verarmungstyp ist außerdem betriebsfähig in einer Kaskodenanordnung mit dem Eingangssourceknoten 12 gekoppelt.
  • Ein Gate 19 des Transistors 17 vom Verarmungstyp ist mit einer Source 20 des Hochvolt-Transistors und einer Anode 21 der Diode 18 gekoppelt, um den Transistor 17 vom Verarmungstyp betriebsfähig mit dem Eingangssourceknoten 12 in einer Kaskodenanordnung zu koppeln. Eine Source 24 des Transistors 17 vom Verarmungstyp ist mit der Kathode 25 der Diode 18 derart gekoppelt, dass der Transistor 17 vom Verarmungstyp in Reihe mit der Diode 18 gekoppelt ist.
  • Der Eingangssourceknoten 12 ist mit der Anode 21 der Diode 18 und der Source 20 des Hochvolt-Transistors 14 gekoppelt. Der Drain 22 des Hochvolt-Transistors 14 ist mit dem Drain 23 des Transistors 17 vom Verarmungstyp und dem Eingangsdrainknoten 11 gekoppelt, damit die Hybrid-Diode 15 zu dem Hochvolt-Transistor 14 parallel gekoppelt ist. Ein Gate 26 des Hochvolt-Transistors 14 ist mit dem Eingangsgateknoten 13 gekoppelt.
  • 2 zeigt einen Schaltplan eines Schaltkreises 10' gemäß einer zweiten Ausführungsform. Der Schaltkreis 10' gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Schaltkreis 10 der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform einfach hinsichtlich der Art der Diode 18' der Hybrid-Diode 15. Gemäß der zweiten Ausführungsform ist die Diode 18' eine Schottky-Diode.
  • Der Hochvolt-Transistor 14 kann einen Gruppe-III-Nitrid-Transistor umfassen und die Schaltung 10 kann als ein Schaltelement, zum Beispiel für eine Energieumwandlungsvorrichtung (power conversion device), verwendet werden. Eine Energieumwandlungsvorrichtung ist eine Vorrichtung, die eingegebene Leistung in eine gewünschte Ausgangsleistung durch Steuern des Ein-/Ausschaltens eines als ein Schaltelement bezeichneten Elements wandelt, und sie wird zu verschiedenen Zwecken, wie z.B. als Netzteil einer elektronischen Vorrichtung oder Antriebsstromversorgung eines Motors oder dergleichen, verwendet.
  • Die Hybrid-Diode 15 kann verwendet werden, um eine inhärente Diodenfunktion bereitzustellen, die einen niedrigen Durchlassspannungsabfall in einem Hochvolt-Transistor 14, wie z.B. einem Gruppe-III-Nitrid-basierten HEMT, aufweist.
  • Der Transistor 17 vom Verarmungstyp kann unter Verwendung eines Teils des Hochvolt-Transistors 14 für eine Diode ausgebildet und mit einer Niedervolt-Diode, zum Beispiel einer Silizium-basierten pn-Diode, verbunden werden, um eine Hybrid-Diode 15 zu bilden. Diese Hybrid-Diode 15 stellt eine Diodenfunktion mit einem Durchlassspannungsabfall, der der Knickspannung der Diode plus dem Durchlassspannungsabfall über den Hochvolt-Transistor-Kanal, abhängig vom Strom durch das Bauelement, gleicht. Da die Sperrspannung der Diode lediglich hinreichend sein muss, um der Abschnürungsspannung des Hochvolt-Transistorbauelements zu widerstehen, ist es möglich, eine Schottky-Diode anstelle einer pn-Diode zu verwenden.
  • Im Prinzip ist der Rückstrompegel (Leck) eines derartigen Kreises ziemlich konstant, bis der Durchbruch des Bauelements auftritt. Der Pegel dieses Leckstroms wird durch den Leckstrom der Diode bei der Abschnürungsspannung bestimmt.
  • Der Hochvolt-Transistor 14 kann ein Transistor vom Verarmungstyp oder ein Transistor vom Anreicherungstyp sein und kann jeweils normalerweise eingeschaltet bzw. normalerweise ausgeschaltet sein. Der Transistor 17 vom Verarmungstyp kann zumindest teilweise in den Hochvolt-Transistor 14 integriert sein. Der Hochvolt-Transistor 14 kann eine Vielzahl von Transistorzellen umfassen, die zueinander parallel gekoppelt und in ein Halbleitersubstrat integriert sind. Der Transistor 17 vom Verarmungstyp kann eine von diesen Transistorzellen oder eine vorgegebene Anzahl von diesen Transistorzellen, die parallel gekoppelt sind, umfassen.
  • Der Schaltkreis 10, 10' kann mithilfe verschiedener Anordnungen bereitgestellt werden. Zum Beispiel sind in einer Ausführungsform der Hochvolt-Transistor 14, der Transistor 17 vom Verarmungstyp und die Diode 18 monolithisch integriert. Diese Ausführungsform kann in Ausführungsformen verwendet werden, in denen der Transistor 17 vom Verarmungstyp zumindest teilweise in den Hochvolt-Transistor 14 integriert ist.
  • In einigen Ausführungsformen sind der Hochvolt-Transistor 14, der Transistor 17 vom Verarmungstyp und die Diode 18 jeweils als diskrete Bauteile vorgesehen. In einigen Ausführungsformen sind der Hochvolt-Transistor 14, der Transistor 17 vom Verarmungstyp und die Diode 18 in einem Verbundgehäuse angeordnet.
  • Der Hochvolt-Transistor 14 kann einen Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistor, wie z.B. einen Gruppe-III-Nitrid-basierten Bipolartransistor oder einen Gruppe-III-Nitrid-basierten High-Electron-Mobility-Transistor (HEMT, Transistor mit einer hohen Elektronenbeweglichkeit), wie z.B. einen Galliumnitrid-basierten HEMT, umfassen.
  • Die Diode 18 kann eine Silizium-basierte Diode sein, wie z.B. eine Silizium-basierte pn-Diode oder eine Silizium-basierte Schottky-Diode.
  • In einer Ausführungsform ist der Schaltkreis 10 durch ein Halbleiterbauelement bereitgestellt, das einen Eingangsdrainknoten, einen Eingangssourceknoten, einen Eingangsgateknoten, einen Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistor, eine Hybrid-Diode und ein Silizium-basiertes Substrat umfasst. Der Gruppe-III-Nitrid-basierte Hochvolt-Transistor umfasst einen Strompfad, der zu der Hybrid-Diode parallel gekoppelt ist. Die Hybrid-Diode umfasst einen Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistor des Verarmungstyps, der in Reihe mit einer Diode gekoppelt ist und betriebsfähig in einer Kaskodenanordnung mit dem Eingangssourceknoten gekoppelt ist. Der Gruppe-III-Nitrid-basierte Hochvolt-Transistor umfasst eine Vielzahl von Transistorzellen, die zueinander parallel gekoppelt sind. Der Transistor vom Verarmungstyp umfasst eine der Transistorzellen oder eine vorgegebene Anzahl von den Transistorzellen des Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistors, die parallel gekoppelt sind. Die Diode der Hybrid-Diode ist zumindest teilweise in dem Silizium-basierten Substrat angeordnet.
  • Es kann in Betracht gezogen werden, dass das Halbleiterbauelement einen monolithisch integrierten Hochvolt-Transistor und eine Hybrid-Diode umfasst, die eine in das Substrat integrierte Silizium-basierte Niedervolt-Diode und einen Abschnitt des Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistors, der in einer Kaskodenanordnung mit dem Eingangssourceknoten, der Source des Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistors und der Anode der Diode gekoppelt ist, umfasst.
  • Der Gruppe-III-Nitrid-basierte Hochvolt-Transistor kann auf dem Siliziumsubstrat angeordnet sein und kann auf dem Silizium-basierten Substrat epitaktisch aufgewachsen werden. Das Silizium-basierte Substrat kann Silizium oder Siliziumkarbid umfassen und kann n-dotiert oder p-dotiert sein. Die Source des Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistors des Verarmungstyps, der einen Teil der Hybrid-Diode bildet, ist mit einer Kathode der Diode zum Beispiel über eine leitfähige Durchkontaktierung gekoppelt. Die Kathode der Diode kann durch ein stark dotiertes Gebiet des Silizium-basierten Substrats bereitgestellt werden, das unterhalb der Gruppe-III-Nitrid-basierten Schichten angeordnet ist, die verwendet werden, um den Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistor auszubilden.
  • Die leitfähige Durchkontaktierung kann ferner eine elektrisch isolierte Auskleidung umfassen. Die Auskleidung isoliert elektrisch das leitfähige Material der leitfähigen Durchkontaktierung von zumindest einigen der Schichten, die den Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistor und den Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistor vom Verarmungstyp bilden. Das Gate des Transistors vom Verarmungstyp kann mit einer Source des Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistors und einer Anode der Diode, die zumindest teilweise auf dem Silizium-basierten Substrat angeordnet ist, gekoppelt sein.
  • In einigen Ausführungsformen ist das Gate des Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistors vom Verarmungstyp mit der Source über eine leitfähige Durchkontaktierung gekoppelt. Zum Beispiel kann die leitfähige Durchkontaktierung in einem nicht aktiven Gebiet des Halbleiterbauelements angeordnet sein und kann sich zwischen dem Gatepad und dem Substrat erstrecken, wodurch das Substrat mit der Source des Gruppe-III-Nitrid-Hochvolt-Transistors gekoppelt ist.
  • Der Schaltkreis 10, 10' kann mithilfe von Bauelementen, die verschiedene physische Formen und Anordnungen aufweisen, bereitgestellt werden. 3a zeigt eine schematische Ansicht einer ersten Anordnung 30 zum Bereitstellen des in 1 und 2 dargestellten Schaltkreises 10, 10'.
  • In der ersten Anordnung 30 sind der Hochvolt-Transistor 14, der Transistor 17 vom Verarmungstyp und die Diode 18 monolithisch in einen einzelnen Halbleiterkörper 31, der zwei unterschiedliche Halbleitermaterialien umfasst, integriert. In einigen Ausführungsformen ist die Diode 18 eine Silizium-basierte pn-Diode oder eine Schottky-Diode und der Hochvolt-Transistor 14 und der Transistor 17 vom Verarmungstyp sind aus einem Verbindungshalbleiter ausgebildet. Zum Beispiel können der Hochvolt-Transistor 14 und der Transistor 17 vom Verarmungstyp Gruppe-III-Nitrid-basierte Transistoren, wie z.B. ein Galliumnitrid-basierter HEMT, sein. Der Transistor 17 vom Verarmungstyp kann durch eine Transistorzelle des Hochvolt-Transistors 14 oder eine Vielzahl von Zellen des Hochvolt-Transistors 14, die parallel gekoppelt sind, ausgebildet sein. Der einzelne Halbleiterkörper 31 umfasst eine Struktur, die eine äquivalente Schaltung zu jener aufweist, die in 1 und 2 dargestellt ist.
  • 3b zeigt eine schematische Ansicht einer zweiten Anordnung 30' zum Bereitstellen des in 1 und 2 dargestellten Schaltkreises 10, 10'. In der Anordnung 30' sind der Hochvolt-Transistor 14, der Transistor 17 vom Verarmungstyp und die Diode 18 jeweils durch diskrete Bauteile, zum Beispiel diskrete Halbleiterpackages 32, bereitgestellt. Der Kreis 10, 10' kann durch elektrisch leitfähige Verbindungen zwischen den diskreten Packages 32 gebildet werden, die durch leitfähige Leiterbahnen auf einem Substrat 33, auf dem die diskreten Packages 32 montiert sind, vorgesehen sein können. Diese Anordnung ermöglicht es, dass der Schaltkreis unter Verwendung von standardmäßigen Packagetypen aufgebaut wird. Jedes Bauelement kann in demselben oder in unterschiedlichen standardmäßigen Packagetypen bereitgestellt werden.
  • Ein Halbleiter-Package 32 umfasst typischerweise ein Gehäuse 34, wie z.B. ein Harz-basiertes Moldmaterial, welches das Halbleiterbauelement abdeckt, und umfasst leitfähige Außenkontakte 35, die mit dem Halbleiterbauelement gekoppelt sind, und ferner leitfähige Leiterbahnen und Komponenten außerhalb des Package 32.
  • 3c zeigt eine schematische Ansicht genügend einer dritten Anordnung 30'' zum Bereitstellen des in 1 und 2a dargestellten Kreises 10, 10'. In dieser Anordnung sind der Hochvolt-Transistor 14, der Transistor 17 vom Verarmungstyp und die Diode 18 in einem gemeinsamen Package 36 bereitgestellt. Der Hochvolt-Transistor 14, der Transistor 17 vom Verarmungstyp und die Diode 18 können als diskrete Bauelemente bereitgestellt sein, die in ein gemeinsames Gehäuse 37 eingebettet sind.
  • In einigen Ausführungsformen sind der Transistor 17 vom Verarmungstyp und der Hochvolt-Transistor 14 monolithisch in ein gemeinsames Bauelement integriert und die Diode 18 ist als ein getrenntes diskretes Bauelement bereitgestellt. In Ausführungsformen, in denen die Diode 18 Silizium-basiert ist und der Hochvolt-Transistor 14 und der Transistor 17 vom Verarmungstyp Gruppe-III-Nitrid-basiert sind, kann das Package 36 als ein Verbundpackage oder ein Hybridpackage bezeichnet werden. Das Package 36 kann eine Umverteilungsstruktur 38 und interne elektrische Verbindungen, wie z.B. Bonddrähte oder Kontaktklemmen, umfassen, die den Hochvolt-Transistor 14, den Transistor 17 vom Verarmungstyp der Diode 18 elektrisch koppeln, um den in 1 und 2 dargestellten Schaltkreis zu bilden. Das Package 36 kann außerdem äußere Kontakte 39 umfassen, die mit der Umverteilungsstruktur 38 elektrisch gekoppelt sind. In der dritten Anordnung kann ein einzelnes Package, das eine äquivalente Schaltung zu jener bereitstellt, die in 1 und 2 dargestellt ist, vorgesehen werden.
  • 4a zeigt ein Halbleiterbauelement 40, das eine äquivalente Schaltung zu dem in 1 dargestellten Schaltkreis 10 umfasst. Das Halbleiterbauelement 40 umfasst einen Eingangsdrainknoten 41, einen Eingangssourceknoten 42, einen Eingangsgateknoten 43, einen Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistor 44, eine Hybrid-Diode 45 und ein Siliziumsubstrat 46. Der Gruppe-III-Nitrid-basierte Hochvolt-Transistor 44 umfasst einen Strompfad 47, der in Reihe mit der Hybrid-Diode 45 gekoppelt ist. Die Hybrid-Diode 45 umfasst einen Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistor 48 des Verarmungstyps, der in Reihe mit einer Diode 49, insbesondere einer Niedervolt-pn-Diode, die zumindest teilweise in dem Silizium-basierten Substrat 46 angeordnet ist, gekoppelt ist. Der Gruppe-III-Nitrid-basierte Transistor 48 vom Verarmungstyp ist ferner betriebsfähig in einer Kaskodenanordnung mit dem Eingangssourceknoten 42 gekoppelt.
  • Der Gruppe-III-Nitrid-basierte Hochvolt-Transistor 44 umfasst eine Vielzahl von Transistorzellen 50, die zueinander parallel gekoppelt sind. Der Gruppe-III-Nitrid-basierte Transistor 48 vom Verarmungstyp umfasst eine der Transistorzellen 50 des Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistors 44 oder eine vorgegebene Anzahl der Transistorzellen 50 des Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistors 44, die parallel gekoppelt sind. Jede Transistorzelle 50 des Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistors umfasst eine Source 51, einen Drain 52 und ein seitlich zwischen der Source 51 und dem Drain 52 angeordnetes Gate 53. Der Gruppe-III-Nitrid-basierte Transistor ist ein laterales Bauelement. Die Transistorzelle 54 des Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistors 44, die den Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistor 48 vom Verarmungstyp der Hybrid-Diode 45 bildet, umfasst ein Gate 53', das mit dem Eingangssourceknoten 42 gekoppelt ist, um die Kaskodenanordnung zu bilden.
  • Das Halbleiterbauelement 40 umfasst ein Silizium-basiertes Substrat 46, das in dieser Ausführungsform p-dotiertes Silizium ist. Gruppe-III-Nitrid-basierte Schichten sind auf einer ersten Hauptfläche 55 des Substrats 46 angeordnet und werden verwendet, um den Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistor 44 zu bilden. In der in 4a dargestellten Ausführungsform ist der Gruppe-III-Nitrid-basierte Hochvolt-Transistor 44 ein Galliumnitrid-basierter High-Electron-Mobility-Transistor (HEMT), der eine auf einer Hauptfläche 55 des Substrats 46 angeordnete Kanalschicht (channel layer) 56, die Galliumnitrid umfasst, und eine auf der Kanalschicht 56 angeordnete Barriereschicht (barrier layer) 57, die Aluminiumgalliumnitrid umfasst, aufweist.
  • Ein zweidimensionales Elektronengas, das in 4a schematisch mit einer gestrichelten Linie 58 angezeigt ist, wird an der Grenzfläche zwischen der Kanalschicht 56 und der Sperrschicht 57 aufgrund einer piezoelektrischen und einer spontanen Polarisation ausgebildet. Der Gruppe-III-Nitrid-basierte Hochvolt-Transistor 44 kann ferner eine Keimschicht 59, zum Beispiel Aluminiumnitrid, und eine oder mehrere weitere Übergangsschichten 60, die zwischen der Kanalschicht 56 und der Sperrschicht 57 angeordnet sind, umfassen. Die Übergangsschicht 60 kann abwechselnde Schichten aus Aluminiumgalliumnitrid und Galliumnitrid umfassen. Eine Passivierungsschicht 62 oder eine oder mehrere weitere Isolationsschichten können auf der Galliumnitrid-Sperrschicht 57 angeordnet sein. Der Strom des Strompfades 47 kann entlang der Grenzfläche in dem 2DEG-Kanal fließen.
  • Jede der Transistorzellen 50 des Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistors 44 umfasst eine Source 51 und einen Drain 52, die mit dem zweidimensionalen Elektronengas 58 elektrisch gekoppelt werden. Der Gruppe-III-Nitrid-basierte Hochvolt-Transistor 44 kann ein Source-Down-Bauelement sein, bei dem die Source 51 eine leitfähige Durchkontaktierung umfasst, welche sich durch die Sperrschicht 57 in die Kanalschicht 56 erstreckt und mit dem zweidimensionalen Elektronengas 58 gekoppelt wird. Das Gate 53 ist auf der Sperrschicht 57 zwischen der Source 51 und dem Drain 52 angeordnet. Das Gate 53 kann verschiedene Formen aufweisen. Zum Beispiel kann das Gate 53 eine Isolationsschicht, eine p-dotierte GaN-Schicht, um ein Bauelement vom Anreicherungstyp bereitzustellen, umfassen, oder es kann eine vertiefte Gatestruktur umfassen. Das Gate kann ein Schottky-Gate sein.
  • Das Halbleiterbauelement 40 umfasst eine Diode 49, die zumindest teilweise in dem Silizium-basierten Substrat 46 angeordnet ist. Die Diode 49 kann ein n-dotiertes Gebiet oder eine n-dotierte Wanne 63 umfassen, das/die an der Grenzfläche zwischen dem Substrat 46 und dem Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistor 44 angeordnet ist. Da das Substrat 46 p-dotiert ist, wird ein pn-Übergang an der Grenzfläche zwischen der n-dotierten Wanne 63 und dem Substrat 46 ausgebildet. Der Anodenkontakt 64 der Diode 49 kann durch eine leitfähige Schicht auf der unteren Fläche 65 des Substrats 46 bereitgestellt sein.
  • Die n-Typ-Wanne 63 in dem p-Typ-dotierten Substrat 46 kann ausgebildet und aktiviert werden, bevor die Stapelstruktur des GaN-HEMT epitaktisch auf dem Substrat aufgewachsen wird, oder nachdem die Durchkontaktierungen für die Vertikalstecker durch die Stapelstruktur bereitgestellt wurden.
  • Die Diode 49 kann eine Schottky-Diode sein. Wenn jedoch die Diode 49 eine Schottky-Diode ist, kann ein Schottky-Kontakt ausgebildet werden, nachdem die Durchkontaktierung ausgebildet wurde, indem ein geeignetes Metall in die Durchkontaktierung eingeführt wird, das einen Schottky-Kontakt mit dem die Basis der Durchkontaktierung bildenden Silizium bildet. Schottky-Dioden können gewünschte Charakteristiken aufweisen, wie zum Beispiel eine im Vergleich mit pn-Dioden verbesserte Schaltgeschwindigkeit und einen niedrigeren Durchlassspannungsabfall. Die Sperrspannung der Diode sollte hoch genug sein, um der Abschnürungsspannung des HEMT-Bauelements standzuhalten.
  • Die Hybrid-Diode 45 umfasst die auf dem Siliziumsubstrat 46 angeordnete Diode 49 und den Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistor 48 des Verarmungstyps. Der Gruppe-III-Nitrid-basierte Transistor 48 vom Verarmungstyp ist betriebsfähig in einer Kaskodenanordnung mit dem Eingangssourceknoten 42 und in Reihe mit der Diode 49, wie schematisch mit der Leitung 69 angezeigt, gekoppelt. Die Kathode 61 der Diode 49 kann mit der Source 51' des Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistors 48 vom Verarmungstyp über eine leitfähige Durchkontaktierung 66 elektrisch gekoppelt sein, die sich zwischen der Source 51' und dem n-dotierten Gebiet 63 erstreckt und den Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistor 48 vom Verarmungstyp mit der Diode 49 koppelt.
  • In der in 4a dargestellten Anordnung des Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistors 44 erstreckt sich die leitfähige Durchkontaktierung 66 durch die Kanalschicht 56, die Übergangsschichten 60 und die Pufferschicht 59. Der Drain 52' des Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistors 48 vom Verarmungstyp ist mit dem Drain 52 des Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistors 44 und dem Drainknoten 41 elektrisch gekoppelt, so dass die Hybrid-Diode 45 zu dem Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistor 44 parallel gekoppelt ist.
  • Das Halbleiterbauelement 40 ist ein quasi-vertikales Bauelement, bei dem der Sourceknoten 42 auf der unteren Fläche 65 des Substrats 46 angeordnet ist. Die auf der gegenüberliegenden Fläche des Halbleiterbauelements 40 angeordnete Source 51 ist mit dem auf der unteren Fläche 65 des Halbleiterbauelements 40 angeordneten Sourceknoten 42 über eine leitfähige Durchkontaktierung 67, die sich von der Source 51 zu dem Substrat 46 erstreckt, elektrisch gekoppelt und ist mit einem p-dotierten Gebiet des Substrats 46, das zu der n-dotierten Wanne 63 der Diode 49 benachbart ist, elektrisch gekoppelt. Die leitfähige Durchkontaktierung 67 erstreckt sich durch die Kanalschicht 56, die Übergangsschichten 60 und die Pufferschicht 59.
  • Das Gate 53' des Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistors 48 vom Verarmungstyp ist mit der Anode 64 der Diode 49 und der Source 51 des Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistors 44 auf der Rückfläche 65 des Substrats 46 gekoppelt. Die Verbindung zwischen dem Gate 53' des Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistors 48 vom Verarmungstyp und dem Sourceknoten 42 und der Anode 64 ist in 4a schematisch mit der Leitung 69 dargestellt.
  • 4b zeigt ein Halbleiterbauelement 40', das den Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistor 44 umfasst, welches einen in Reihe mit der Hybrid-Diode gekoppelten Strompfad 47 aufweist. Das Halbleiterbauelement 40' umfasst eine Verbindung zwischen der Source 51 des Hochvolt-Transistors 44 und der Anode 64 zum Beispiel in Form eines Bonddrahts, anstelle der Durchkontaktierung 67, die in dem in 4a dargestellten Halbleiterbauelement 40 verwendet wird. Die in 4b dargestellte Anordnung kann verwendet werden, um den Beitrag des p-Typ-Substrats zu dem gesamten Bauelement-RDSON zu reduzieren oder auszuschließen. Eine zusätzliche Fläche kann erforderlich sein, um den ohmschen Sourcekontakt auf der oberen Fläche auszubilden.
  • 5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements 40, in dem ein nicht aktives Gebiet 70 ersichtlich ist. 5 veranschaulicht, dass das Gate 53' mit dem Sourceknoten 42 und der Anode 64 über eine leitfähige Durchkontaktierung 73, die sich zwischen einem Gatepad 72 und dem p-dotierten Siliziumsubstrat 46 in dem nicht aktiven Gebiet 70 des Halbleiterbauelements 40 erstreckt, elektrisch gekoppelt sein kann.
  • Wie hier verwendet, ist ein „nicht aktives Gebiet“ ein Gebiet eines Transistorbauelements, das eine elektrisch leitfähige Schicht nicht unterstützen kann. Bei einem lateralen Transistorbauelement ist ein „nicht aktives Gebiet“ ein Gebiet eines lateralen Transistorbauelements, das eine laterale, elektrisch leitfähige Schicht nicht unterstützen kann.
  • Wie hier verwendet, ist ein „aktives Gebiet“ ein Gebiet eines Transistorbauelements, das eine elektrisch leitfähige Schicht unterstützen kann. Bei einem lateralen Transistorbauelement ist ein „aktives Gebiet“ ein Gebiet eines lateralen Transistorbauelements, das eine laterale, elektrisch leitfähige Schicht unterstützen kann.
  • Ein nicht aktives Gebiet kann elektrisch isolierend sein und kann ein von dem Halbleitermaterial des aktiven Gebiets verschiedenes Material umfassen. Bei einem HEMT (High-Electron-Mobility-Transistor), wie z.B. einem Galliumnitrid-basierten HEMT, ist das aktive Gebiet ein Gebiet des lateralen Transistorbauelements, in dem ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) unterstützt wird, wenn das Gate eingeschaltet ist. Das nicht aktive Gebiet ist ein Gebiet, in dem kein 2DEG unterstützt wird, wenn das Gate eingeschaltet ist. Die nicht aktiven Gebiete können durch Ionenimplantation für eine Isolierung oder durch Entfernen der Sperrschicht zum Beispiel mithilfe einer Mesaätzung ausgebildet werden.
  • Der aktive und nicht aktive Teil bezieht sich jedoch auf die Diode, so dass es hier ein normalerweise eingeschalteter aktiver Teil sein muss. Wenn keine zusätzlichen Maßnahmen ergriffen werden, wird ein 2DEG hier ebenfalls ausgebildet. Auch wenn hier kein vorgesehener Sourcekontakt vorhanden ist, wie in 5 dargestellt, kann ein Stromfluss zu dem nächsten verfügbaren Sourcekontakt fließen. Dies sollte jedoch nicht nachteilig sein, da dies ein Teil der Diode ist und über das Gate des Diodenteils gesteuert wird.
  • Das Gatepad 72 ist mit dem Gate 53' des Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistors 48 vom Verarmungstyp gekoppelt und ist auf der Passivierungsschicht 62 auf der oberen Fläche 68 des nicht aktiven Gebiets 70 des Halbleiterbauelements 40 angeordnet. Das nicht aktive Gebiet 70 kann am Umfang eines oder mehrerer aktiver Gebiete 71 des Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistors 44 positioniert sein. Die n-dotierte Wanne 63 ist mit der Source 51' über eine leitfähige Durchkontaktierung 66, wie in 4a und 4b dargestellt, in einem Gebiet des Halbleiterbauelements, das in der Querschnittsansicht von 5 nicht sichtbar ist, gekoppelt.
  • Die leitfähige Durchkontaktierung 73 erstreckt sich zwischen dem auf der Passivierungsschicht 62 angeordneten Gatepad 72, durch die Sperrschicht 57, die Kanalschicht 56, die Übergangsschichten 60 und die Pufferschicht 59 und koppelt elektrisch das Gatepad 72 und das Gate 53' des Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistors 48 vom Verarmungstyp mit dem p-dotierten Substrat 46 und mit dem Sourceknoten 42 und der Anode 64 auf der Rückfläche 65. Die leitfähige Durchkontaktierung 73 kann von den Gruppe-III-Nitrid-basierten Schichten durch Auskleiden der Durchkontaktierung mit einem elektrisch isolierenden Material, wie z.B. Siliziumoxid, elektrisch isoliert werden.
  • 6 zeigt ein Halbleiterbauelement 40', das den in 1 dargestellten Schaltkreis zum Schalten bereitstellt. Das Halbleiterbauelement 40' umfasst ein Siliziumsubstrat 46 und einen Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistor 44, der auf dem Substrat 46 angeordnet ist. Das Halbleiterbauelement 40' umfasst eine Hybrid-Diode 45, die einen Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistor 48 vom Verarmungstyp umfasst, der aus einer oder mehreren Zellen des Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistors 44 ausgebildet ist. Der Gruppe-III-Nitrid-basierte Transistor 48 vom Verarmungstyp ist in Reihe mit einer pn-Diode 49 gekoppelt, die in dem Substrat 46 angeordnet ist, und betriebsfähig in einer Kaskodenanordnung mit dem Sourceknoten 42 gekoppelt.
  • Das Halbleiterbauelement 40' unterscheidet sich von dem Halbleiterbauelement 40 hinsichtlich der Form der leitfähigen Durchkontaktierung 66, die die Source 51' des Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistors 48 vom Verarmungstyp mit der an der n-dotierten Wanne 63 ausgebildeten Kathode elektrisch koppelt, und der leitfähigen Durchkontaktierung 67, die die Source 51 des Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistors 44 und das p-dotierte Substrat 46 elektrisch koppelt. Jede der leitfähigen Durchkontaktierungen 66, 67 ist mit einem elektrisch isolierenden Material 74 in Gebieten der Durchkontaktierung ausgekleidet, die sich zwischen dem zweidimensionalen Elektronengas 58 und dem p-dotierten Substrat 46 erstrecken. Das elektrisch isolierende Material 74 kann ein Dielektrikum, wie z.B. Siliziumoxid, umfassen. Das leitfähige Material kann mit der Grenzfläche zwischen der Sperrschicht 57 und der Kanalschicht 56 in Kontakt stehen, so dass es mit dem zweidimensionalen Elektronengas gekoppelt wird.
  • 7 zeigt ein Halbleiterbauelement 80, das den in 1 dargestellten Schaltkreis umfasst. Das Halbleiterbauelement 80 umfasst einen Hochvolt-Transistor in Form eines Galliumnitrid-basierten Hochvolt-HEMT 81, der auf einem Siliziumsubstrat 82 angeordnet ist. Ein Abschnitt des Galliumnitrid-basierten Hochvolt-HEMT 81 bildet einen Transistor 83 des Verarmungstyps, der in Reihe mit einer in dem Substrat 82 angeordneten Diode 84 gekoppelt ist. Der Transistor 83 vom Verarmungstyp und die Diode 84 bilden zusammen eine Hybrid-Diode 85, die zu dem Galliumnitrid-basierten HEMT 81 parallel gekoppelt ist. Das Substrat 82 umfasst n-dotiertes Silizium. Die Hybrid-Diode 85 umfasst zwei Strukturen, von denen jede aus einem anderen Halbleitermaterial ausgebildet ist.
  • Der Galliumnitrid-basierte HEMT 81 umfasst eine auf einer ersten Hauptfläche 104 des Substrats 82 angeordnete Galliumnitrid-Schicht 86, die eine Kanalschicht bildet, und eine auf der Galliumnitrid-Schicht 86 angeordnete Aluminiumgalliumnitrid-Schicht 87, die eine Sperrschicht bildet. Ein zweidimensionales Elektronengas 105 wird aufgrund einer induzierten und einer spontanen Polarisation an der Grenzfläche zwischen der Galliumnitrid-Schicht 86 und der Aluminiumgalliumnitrid-Schicht 87 ausgebildet. Weitere Schichten 88 können zwischen der Galliumnitrid-Schicht 86 und der ersten Hauptfläche 104 des Substrats 82 angeordnet sein. Zum Beispiel kann eine Aluminiumnitrid-Schicht 89 auf der ersten Hauptfläche 104 des Substrats 82 angeordnet sein und eine Vielzahl von Übergangsschichten, wie z.B. abwechselnde Schichten aus Galliumnitrid und Aluminiumgalliumnitrid, können zwischen der Aluminiumnitrid-Schicht 89 und der Galliumnitrid-Schicht 86 angeordnet sein. Eine Passivierungsschicht 91 kann auf der Aluminiumgalliumnitrid-Schicht 87 angeordnet sein. Jedoch ist die HEMT-Struktur nicht auf diese genaue Anordnung beschränkt und kann weitere Schichten umfassen, wie z.B. eine Abdeckschicht oder andere isolierende Schichten, die auf der Aluminiumgalliumnitrid-Schicht 87 angeordnet sind.
  • Der Galliumnitrid-basierte Hochvolt-HEMT 81 umfasst eine Vielzahl von Transistorzellen 90, von denen jede eine Source 92, einen Drain 93 und ein zwischen der Source 92 und dem Drain 93 angeordnetes Gate 94 umfasst, um eine laterale Transistorbauelementzelle auszubilden. Die Source 92 und der Drain 93 können jeweils eine leitfähige Durchkontaktierung umfassen, die sich durch die Aluminiumgalliumnitrid-Schicht 87 erstreckt und mit dem zweidimensionalen Elektronengas 105 gekoppelt wird.
  • Mindestens eine Transistorzelle 90' oder eine Vielzahl von Transistorzellen, die parallel gekoppelt sind, wird/werden verwendet, um den Transistor 83 vom Verarmungstyp der Hybrid-Diode 85 auszubilden. Um den Transistor 83 vom Verarmungstyp in Reihe mit der Diode 84 zu koppeln, umfasst die Source 95 des Transistors 83 vom Verarmungstyp eine leitfähige Durchkontaktierung 96, die sich durch die Aluminiumgalliumnitrid-Schicht 87, die Galliumnitrid-Schicht 86 und weitere Übergangsschichten 88 und gegebenenfalls die Pufferschicht 89 zu dem n-dotierten Siliziumsubstrat 82 erstreckt. Die Diode 84 wird in dem Siliziumsubstrat 82 durch Bereitstellen einer p-dotierten Schicht 97 auf der Rückfläche 98 des Substrats 82, so dass ein pn-Übergang und eine Diode 84 in dem Silizium-Substrat 82 ausgebildet werden, gebildet.
  • Die Kathode 99 der Diode 84 wird an der Grenzfläche zwischen der leitfähigen Durchkontaktierung 96 und dem n-dotierten Substrat 82 ausgebildet und die Anode 100 der Diode 84 wird auf der Rückfläche 98 der p-dotierten Schicht 97 ausgebildet. Das Gate 106 des Transistors 83 vom Verarmungstyp ist mit der auf der Rückfläche 98 ausgebildeten Anode 100 gekoppelt, wie schematisch mit der Leitung 101 angezeigt. Der Drain 102 des Transistors 83 vom Verarmungstyp ist mit dem Drain 93 des Galliumnitrid-basierten Hochvolt-HEMT 81 elektrisch gekoppelt, wie schematisch mit der Leitung 103 angezeigt. Die Source 92 des Galliumnitrid-basierten Hochvolt-Transistors 81 kann mit der Anode 100 der Silizium-Diode 84 elektrisch gekoppelt sein, so dass die Hybrid-Diode 85 zu dem Galliumnitrid-basierten Hochvolt-Transistor 81 elektrisch parallel gekoppelt ist und eine Bodydiode bildet.
  • Die leitfähige Durchkontaktierung 96 kann außerdem eine isolierte Auskleidung in Gebieten zwischen der Grenzfläche zwischen der Aluminiumgalliumnitrid-Schicht 87 und der Galliumnitrid-Schicht 86 und der ersten Hauptfläche 104 des Substrats 82 umfassen.
  • Das n-Typ-Siliziumsubstrat kann durch ein n-Typ-Siliziumkarbidsubstrat und die p-dotierte Siliziumschicht durch eine p-dotierte Siliziumkarbidschicht ersetzt werden.
  • Das Halbleiterbauelement 80 umfasst einen lateralen Galliumnitrid-basierten Hochvolt-Transistor 81, bei dem die Source-, die Drain- und die Gateelektrode auf einer einzelnen Hauptfläche des Halbleiterbauelements angeordnet sind. In anderen Ausführungsformen kann der Galliumnitrid-basierte Hochvolt-HEMT eine quasi vertikale Struktur umfassen.
  • 8 zeigt ein Halbleiterbauelement 110, das den in 1 dargestellten Schaltkreis bereitstellt. Das Halbleiterbauelement 110 umfasst ein Substrat 111, das n-dotiertes Silizium umfasst, und einen Galliumnitrid-basierten Hochvolt-HEMT 112, der auf einer ersten Hauptfläche 113 des Substrats 111 angeordnet ist. Der Galliumnitrid-basierte HEMT 112 umfasst eine Galliumnitrid-basierte Schicht 114, die auf der oberen Fläche 113 des Substrats 111 angeordnet ist, und eine auf der Galliumnitrid-Schicht 114 angeordnete Aluminiumgalliumnitrid-Schicht 115. Ein zweidimensionales Elektronengas 116 wird aufgrund einer induzierten und einer spontanen Polarisation an der Grenzfläche zwischen der Galliumnitrid-Schicht 114 und der Aluminiumgalliumnitrid-Schicht 115 ausgebildet. Der Galliumnitrid-basierte HEMT 112 kann weitere Komponenten, wie z.B. eine oder mehrere Pufferschichten und/oder Übergangsschichten, die zwischen der Galliumnitrid-Schicht 114 und der ersten Hauptfläche 113 des Substrats 111 angeordnet sind, und eine oder mehrere Passivierungsschichten oder Isolationsschichten, die auf der Aluminiumgalliumnitrid-Schicht 115 angeordnet sind, umfassen.
  • Der Galliumnitrid-basierte Hochvolt-HEMT 112 umfasst eine Vielzahl von Transistorzellen 117. Jede Transistorzelle 117 umfasst eine Source 118 und einen Drain 118, die mit dem zweidimensionalen Elektronengas 116 elektrisch gekoppelt werden, und ein Gate 120, das zwischen der Source 118 und dem Drain 119 auf der Aluminiumgalliumnitrid-Schicht 115 angeordnet ist.
  • Das Gate 120 kann eine Gateisolation zwischen dem Gatemetall und der Aluminiumgalliumnitrid-Schicht 115 umfassen. Eine p-dotierte Galliumnitrid-Schicht kann zwischen dem Gate 120 und der Aluminiumgalliumnitrid-Schicht 115 angeordnet werden, um einen Galliumnitrid-basierten Hochvolt-Transistor des Anreicherungstyps, der normalerweise ausgeschaltet ist, zu erzeugen. Das Gate 120 kann außerdem eine vertiefte Gatestruktur aufweisen.
  • Mindestens eine Transistorzelle 117' des Galliumnitrid-basierten Hochvolt-HEMT 112 wird verwendet, um einen Abschnitt einer Hybrid-Diode 121 auszubilden. Die Transistorzelle 117' umfasst eine Source 122, einen Drain 123 und ein zwischen der Source 122 und dem Drain 123 angeordnetes Gate 124. Die Transistorzelle 117' stellt einen Transistor des Verarmungstyps, der normalerweise eingeschaltet ist, bereit. Die Hybrid-Diode 121 umfasst ferner eine Silizium-basierte Niedervolt-Diode 125, die in dem Substrat 111 ausgebildet ist. In der in 8 dargestellten Ausführungsform ist die Silizium-basierte Diode 125 eine pn-Diode und umfasst eine p-dotierte Wanne 126, welche p-dotiertes Silizium umfasst und auf der Rückfläche 127 des n-dotierten Substrats 111 unterhalb des Transistors 121 vom Verarmungstyp angeordnet ist.
  • Eine Metallschicht 128 kann auf der Rückfläche 127 des Substrats 111 angeordnet sein, die mit der p-dotierten Wanne 126 gekoppelt ist und die eine Anode 129 der Silizium-basierten Diode 125 bildet. Die Kathode 130 der Silizium-basierten Diode 125 ist mit der Source 122 des Transistors 117' vom Verarmungstyp über eine leitfähige Durchkontaktierung 131 gekoppelt, die sich von der Source 122 durch die Aluminiumgalliumnitrid-Schicht 115 und die Galliumnitrid-Schicht 114 zu dem n-dotierten Substrat 111 erstreckt. Die leitfähige Durchkontaktierung 131 koppelt elektrisch die Source 122 des Transistors 117' vom Verarmungstyp mit der Kathode 130, die an der Grenzfläche zwischen dem leitfähigen Material der leitfähigen Durchkontaktierung 129 und dem n-dotierten Substrat 111 ausgebildet ist.
  • In der in 8 dargestellten Ausführungsform ist eine gemeinsame Source für die Source 122 des Transistors 117' vom Verarmungstyp der Hybrid-Diodenstruktur 121 und die Source 118 des Galliumnitrid-basierten Hochvolt-HEMT 112 bereitgestellt. Das Gate 120 des Transistors vom Verarmungstyp ist mit der Anode 129 der Diode 128 und der Source 118 des Galliumnitrid-basierten Hochvolt-HEMT 112 elektrisch gekoppelt, wie schematisch mit der Leitung 132 angezeigt.
  • Der Drain 123 des Transistors 117' vom Verarmungstyp ist mit dem Drain 119 des Galliumnitrid-basierten Hochvolt-HEMT 112 elektrisch gekoppelt. Die Hybrid-Diode 121 umfasst den Transistor 117' des Verarmungstyps, der in Reihe mit der Silizium-basierten Diode 125 gekoppelt ist und betriebsfähig in einer Kaskodenanordnung mit der Anode 129 der Silizium-basierten Diode 125 gekoppelt ist. Die Hybrid-Diode 121 ist zu dem Galliumnitrid-basierten Hochvolt-HEMT 112 elektrisch parallel gekoppelt.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst das Halbleiterbauelement einen niedrigen Durchlassspannungsabfall, von einem niedrigen Leckstrom, insbesondere im Fall der Verwendung einer pn-Diode, ist es auf einen breiten Bereich von Spannungsklassen anwendbar, ohne dass die Diodenstruktur im Silizium berührt wird, und infolgedessen ist auf eine beliebige Durchbruchsspannungsklasse anwendbar. Ein Teil des aktiven HEMT-Bereichs wird für die Diodenfunktionalität verwendet, aber im Vergleich zu einer Lösung mit einer parallelen GaN-Schottky-Diode kann der Verlust des aktiven Bereichs aufgrund der niedrigeren VF der vorgeschlagenen Lösung geringer sein.
  • Eine Reverse-Diodenfunktion mit einem niedrigen Durchlassspannungsabfall und einem niedrigen Leckstrom ist für einen GaN-Leistungs-HEMT vom Verarmungstyp oder vom Anreicherungstyp auf einem Siliziumsubstrat bereitgestellt, die eine GaN-basierte Transistorstruktur auf einem Silizium- oder Siliziumkarbid-Substrat, eine Normally-on-HEMT-Struktur in GaN, eine pn-Diode im Silizium, einen oder mehrere vertikale Stecker durch das GaN, um die Elemente zu verbinden, und eine kaskodenähnliche Anordnung eines Teils des HEMT mit der Silizium-Diode, um die Sperrfunktion des Leistungsschalters bereitzustellen, umfassen kann. Die Hybrid-Diode kann verwendet werden, um eine inhärente Diodenfunktion, die einen niedrigen Durchlassspannungsabfall aufweist, in einem Hochvolt-Transistor, wie z.B. einem Gruppe-III-Nitrid-basierten HEMT, bereitzustellen.
  • Die Halbleiterbauelemente können eine Struktur umfassen, die zu einer äquivalenten Schaltung führt, die jener ähnlich ist, die in 1 dargestellt ist. Ein Schaltkreis wird bereitgestellt, der einen Teil des HEMT für eine Diode verwendet und ihn mit einer Niedervolt-Diode im Silizium verbindet, um eine Hybrid-Diode auszubilden. Diese Hybrid-Diode stellt eine Diodenfunktion mit einem Durchlassspannungsabfall bereit, der der Knickspannung der Diode plus dem Durchlassspannungsabfall über den HEMT-Kanal, abhängig vom Strom durch das Bauelement, gleicht. Da die Sperrspannung der Diode lediglich hinreichend sein muss, um der Abschnürungsspannung des HEMT-Bauelements standzuhalten, ist es möglich, eine Schottky-Diode anstelle einer pn-Diode zu verwenden.
  • Im Prinzip ist der Rückstrompegel (Leck) eines derartigen Kreises ziemlich konstant, bis der Durchbruch des Bauelements auftritt. Der Pegel dieses Leckstroms wird durch den Leckstrom der Diode bei der Abschnürungsspannung bestimmt.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst das Halbleiterbauelement einen niedrigen Durchlassspannungsabfall, von einem niedrigen Leckstrom, insbesondere im Fall der Verwendung einer pn-Diode, ist es auf einen breiten Bereich von Spannungsklassen anwendbar, ohne dass die Diodenstruktur im Silizium berührt wird, und infolgedessen ist auf eine beliebige Durchbruchsspannungsklasse anwendbar.
  • Eine Reverse-Diodenfunktion mit einem niedrigen Durchlassspannungsabfall und einem niedrigen Leckstrom ist für einen GaN-Leistungs-HEMT vom Verarmungstyp oder vom Anreicherungstyp auf einem Siliziumsubstrat bereitgestellt, die eine GaN-basierte Transistorstruktur auf einem Silizium- oder Siliziumkarbid-Substrat, eine Normally-on-HEMT-Struktur in GaN, eine pn-Diode im Silizium, einen oder mehrere vertikale Stecker durch das GaN, um die Elemente zu verbinden, und eine kaskodenähnliche Anordnung eines Teils des HEMT mit der Silizium-Diode, um die Sperrfunktion des Leistungsschalters bereitzustellen, umfasst.
  • Begriffe, die räumliche Relativität bezeichnen, wie z. B. „unten“, „unterhalb“, „unterer“, „oben“, „oberer“ und dergleichen werden zur Erleichterung der Beschreibung verwendet, um die Anordnung eines Elements im Verhältnis zu einem zweiten Element zu erläutern. Diese Begriffe sollen zusätzlich zu Ausrichtungen, die von jenen, die in den Figuren veranschaulicht sind, verschiedenen sind, verschiedene Ausrichtungen des Bauelements mit einschließen.
  • Außerdem werden Begriffe, wie „erster“, „zweiter“ und dergleichen auch zum Beschreiben verschiedener Elemente, Gebiete, Abschnitte usw. verwendet und sollen ebenfalls nicht einschränkend sein. Gleiche Begriffe beziehen sich in der gesamten Beschreibung auf gleiche Elemente.
  • Wie hier verwendet, sind die Begriffe „aufweisen“, „enthalten“, „umfassen“, „einschließen“ und dergleichen offene Begriffe, die das Vorhandensein von genannten Elementen oder Merkmalen anzeigen, aber zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht ausschließen. Die Artikel „ein/eine“ und „der“/„die“/„das“ sollen sowohl Pluralformen als auch Singularformen umfassen, sofern nicht eindeutig anders vom Kontext angegeben.
  • Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht anders spezifiziert.

Claims (20)

  1. Schaltkreis, der aufweist: einen Eingangsdrainknoten, einen Eingangssourceknoten und einen Eingangsgateknoten, und einen Hochvolt-Transistor, der einen zu einer Hybrid-Diode parallel gekoppelten Strompfad aufweist, wobei die Hybrid-Diode einen Transistor vom Verarmungstyp aufweist, der mit einer Diode in Reihe gekoppelt ist und betriebsfähig in einer Kaskodenanordnung mit dem Eingangssourceknoten gekoppelt ist.
  2. Schaltkreis nach Anspruch 1, wobei ein Gate des Transistors vom Verarmungstyp mit einer Source des Hochvolt-Transistors und einer Anode der Diode gekoppelt ist.
  3. Schaltkreis nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Hochvolt-Transistor ein Transistor vom Verarmungstyp oder ein Transistor vom Anreicherungstyp ist.
  4. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Transistor vom Verarmungstyp zumindest teilweise in den Hochvolt-Transistor integriert ist.
  5. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Hochvolt-Transistor eine Vielzahl von Transistorzellen aufweist, die zueinander parallel gekoppelt und in ein Halbleitersubstrat integriert sind, und der Transistor vom Verarmungstyp eine von den Transistorzellen oder eine vorgegebene Anzahl der Transistorzellen, die parallel gekoppelt sind, aufweist.
  6. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Hochvolt-Transistor, der Transistor vom Verarmungstyp und die Diode monolithisch integriert sind.
  7. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Hochvolt-Transistor als diskretes Bauteil vorgesehen ist und der Transistor vom Verarmungstyp als diskretes Bauteil vorgesehen ist und die Diode als diskretes Bauteil vorgesehen ist.
  8. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Hochvolt-Transistor, der Transistor vom Verarmungstyp und die Diode in einem Verbundpackage angeordnet sind.
  9. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Hochvolt-Transistor einen Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistor aufweist.
  10. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Hochvolt-Transistor einen Gruppe-III-Nitrid-basierten High-Electron-Mobility-Transistor aufweist.
  11. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Diode eine Silizium-basierte pn-Diode oder eine Silizium-basierte Schottky-Diode ist.
  12. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei eine Source des Transistors vom Verarmungstyp mit einer Kathode der Diode gekoppelt ist.
  13. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei ein Drain des Transistors vom Verarmungstyp mit einem Drain des Hochvolt-Transistors gekoppelt ist.
  14. Halbleiterbauelement, das aufweist: einen Eingangsdrainknoten, einen Eingangssourceknoten und einen Eingangsgateknoten, einen Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistor, der einen zu einer Hybrid-Diode parallel gekoppelten Strompfad aufweist, und ein Silizium-basiertes Substrat, wobei der Gruppe-III-Nitrid-basierte Hochvolt-Transistor eine Vielzahl von Transistorzellen, die zueinander parallel gekoppelt sind, aufweist, wobei die Hybrid-Diode einen Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistor vom Verarmungstyp aufweist, der mit einer Diode in Reihe gekoppelt ist und betriebsfähig in einer Kaskodenanordnung mit dem Eingangssourceknoten gekoppelt ist, wobei der Transistor vom Verarmungstyp eine von den Transistorzellen oder eine vorgegebene Anzahl der Transistorzellen, die parallel gekoppelt sind, aufweist und die Diode zumindest teilweise in dem Silizium-basierten Substrat angeordnet ist.
  15. Halbleiterbauelement nach Anspruch 14, wobei der Gruppe-III-Nitrid-basierte Hochvolt-Transistor auf dem Silizium-basierten Substrat angeordnet ist.
  16. Halbleiterbauelement nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, wobei das Silizium-basierte Substrat Silizium oder Siliziumkarbid aufweist.
  17. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei eine Source des Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistors vom Verarmungstyp über eine leitfähige Durchkontaktierung mit einer Kathode der Diode gekoppelt ist.
  18. Halbleiterbauelement nach Anspruch 17, wobei die leitfähige Durchkontaktierung ferner eine elektrisch isolierende Auskleidung aufweist.
  19. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei das Gate des Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistors vom Verarmungstyp mit einer Source des Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistors und einer Anode der Diode gekoppelt ist, wobei die Anode auf einer Rückfläche des Substrats angeordnet ist.
  20. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei ein Gate des Gruppe-III-Nitrid-basierten Transistors vom Verarmungstyp mit einer Source des Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistors und einer Anode der Diode gekoppelt ist, wobei eine aus der Gruppe, die aus der Anode und der Kathode besteht, an einer Grenzfläche zwischen dem Silizium-basierten Substrat und dem Gruppe-III-Nitrid-basierten Hochvolt-Transistor angeordnet ist.
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