DE102019103730B4

DE102019103730B4 - Schaltungsanordnung mit galvanischer isolation zwischen elektronischen schaltungen

Info

Publication number: DE102019103730B4
Application number: DE102019103730.1A
Authority: DE
Inventors: Markus Müllauer; Thomas Ferianz; Hermann Gruber
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2019-02-14
Filing date: 2019-02-14
Publication date: 2021-02-04
Anticipated expiration: 2039-02-15
Also published as: US10924108B2; US20200266817A1; DE102019103730A1; CN111564437A

Abstract

Schaltungsanordnung, die aufweist:eine erste elektronische Schaltung (2);eine zweite elektronische Schaltung (3); undeine Kopplungsschaltung (4), die zwischen die erste elektronische Schaltung (2) und die zweite elektronische Schaltung (3) geschaltet ist,wobei die erste elektronische Schaltung (2) wenigstens teilweise in einem ersten Gebiet (120) einer Halbleiterschicht (100) integriert ist,wobei die zweite elektronische Schaltung (3) wenigstens teilweise in einem zweiten Gebiet (130) der Halbleiterschicht (100) integriert ist,wobei das zweite Gebiet (130) an eine erste isolierende Schicht (200), die auf einer ersten Oberfläche (101) des Halbleiterkörpers (100) gebildet ist, angrenzt und durch eine zweite isolierende Schicht (300) elektrisch von dem ersten Gebiet isoliert ist,wobei die Kopplungsschaltung (4) in einer dritten isolierenden Schicht (400) angeordnet ist, die auf einer zweiten Oberfläche (102) der Halbleiterschicht (100) gebildet ist, und wenigstens zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren (C2, C3) aufweist, undwobei eine Spannungssperrfestigkeit der ersten isolierenden Schicht (200) geringer als eine Spannungssperrfestigkeit der zweiten isolierenden Schicht (300) und eine Spannungssperrfestigkeit der Kopplungsschaltung (4) ist.

Description

Diese Beschreibung betrifft allgemein eine Schaltungsanordnung mit galvanischer Isolation zwischen einer ersten elektronischen Schaltung und einer zweiten elektronischen Schaltung, wie beispielsweise einer ersten elektronischen Schaltung und einer zweiten elektronischen Schaltung in einer Ansteuerschaltung zum Ansteuern eines Transistorbauelements.
Ein Transistorbauelement, wie beispielsweise ein MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) oder ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ist ein spannungsgesteuertes Bauelement, das abhängig von einem an einem Ansteuereingang erhaltenen Ansteuersignal ein- oder ausschaltet. Das Signal kann eine Ansteuerspannung sein und der Ansteuereingang kann durch einen Steuerknoten und einen ersten Lastknoten des Transistorbauelements gebildet sein. In einem MOSFET beispielsweise ist der Steuerknoten durch einen Gateknoten gebildet und ist der Lastknoten durch einen Sourceknoten des MOSFET gebildet. In einem IGBT ist der Steuerknoten durch einen Gateknoten gebildet und ist der erste Lastknoten durch einen Emitterknoten gebildet.
Eine Ansteuerschaltung zum Ansteuern eines Transistorbauelements kann dazu ausgebildet sein, ein Eingangssignal zu erhalten und das Ansteuersignal an einem Ansteuerausgang abhängig von dem Eingangssignal zu erzeugen. Das Eingangssignal kann ein Spannungssignal sein, das auf ein erstes Bezugspotential bezogen ist (das als erstes Massepotential bezeichnet werden kann). In vielen Schaltungsanwendungen ist das Transistorbauelement so verschaltet, dass der zweite Lastknoten an einen Schaltungsknoten angeschlossen ist, der ein Potential hat, das sich von dem ersten Bezugspotential unterscheidet. In diesen Fällen ist die Ansteuerspannung auf ein Potential bezogen, das sich von dem ersten Bezugspotential unterscheidet. In einer High-Side-Konfiguration ist der erste Lastknoten des Transistorbauelements beispielsweise an einen Schaltungsknoten angeschlossen, der ein elektrisches Potential hat, das abhängig von einem Schaltzustand (ein oder aus) des Transistorbauelements zwischen einem ersten Potential und einem zweiten Versorgungspotential wechseln kann. In Hochspannungsanwendungen kann das elektrische Potential am ersten Lastknoten des Transistorbauelements beispielsweise zwischen 0V und einigen 100V variieren.
Das Eingangssignal ist beispielsweise ein Niederspannungssignal, das durch eine Steuerschaltung, wie beispielsweise ein Mikrocontroller erzeugt wird. Um die Ansteuerschaltung vor hohen Potentialen zu schützen, die am Ansteuerausgang auftreten können, kann die Ansteuerschaltung eine galvanische Isolation zwischen dem Ansteuereingang und dem Ansteuerausgang umfassen.
Die beschreibt eine Schaltungsanordnung mit einer ersten elektronischen Schaltung, die in einem ersten Abschnitt einer auf einer Dielektrikumsschicht angeordneten strukturierten Halbleiterschicht integriert ist, und einer zweiten elektronischen Schaltung, die in einem zweiten Abschnitt der strukturierten Halbleiterschicht integriert ist. Die erste und zweite elektronische Schaltung sind durch eine kapazitive Kopplungsschaltung miteinander gekoppelt, die in einer Dielektrikumsschicht oberhalb der strukturierten Halbleiterschicht angeordnet ist und über die eine Signalkommunikation stattfinden kann.
Die beschreibt eine Schaltungsanordnung mit zwei integrierten Schaltungen, die beabstandet zueinander auf einem elektrisch isolierenden Träger angeordnet sind und die durch eine Kopplungsschaltung, über die eine Signalkommunikation stattfinden kann, miteinander gekoppelt sind.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Schaltungsanordnung mit einer galvanischen Isolation zwischen einer ersten elektronischen Schaltung und einer zweiten elektronischen Schaltung zur Verfügung zu stellen, die klein ist, auf kosteneffiziente Weise hergestellt werden kann und in zuverlässiger Weise getestet werden kann. Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Diese Schaltungsanordnung umfasst eine erste elektronische Schaltung, eine zweite elektronische Schaltung und eine zwischen die erste elektronische Schaltung und die zweite elektronische Schaltung geschaltete Kopplungsschaltung. Die erste elektronische Schaltung ist wenigstens teilweise in einem ersten Gebiet einer Halbleiterschicht integriert, die zweite elektronische Schaltung ist wenigstens teilweise in einem zweiten Gebiet der Halbleiterschicht integriert und das zweite Gebiet grenzt an eine erste isolierende Schicht an, die auf einer ersten Oberfläche der Halbleiterschicht gebildet ist, und ist durch eine zweite isolierende Schicht elektrisch gegenüber dem ersten Gebiet isoliert. Außerdem ist die Kopplungsschaltung in einer dritten isolierenden Schicht angeordnet, die auf einer zweiten Oberfläche der Halbleiterschicht gebildet ist, und weist wenigstens zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren auf. Außerdem ist eine Spannungssperrfestigkeit der ersten isolierenden Schicht geringer als eine Spannungssperrfestigkeit der zweiten isolierenden Schicht und eine Spannungssperrfestigkeit der Kopplungsschaltung.
Beispiele werden anhand der Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen dienen dazu, bestimmte Prinzipien zu veranschaulichen, so dass nur Aspekte, die zum Verständnis dieser Prinzipien notwendig sind, dargestellt sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgerecht. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale.

1 veranschaulicht eine Schaltungsanordnung mit einer ersten elektronischen Schaltung, einer Kopplungsschaltung und einer zweiten elektronischen Schaltung gemäß einem Beispiel;
2 veranschaulicht schematisch eine Draufsicht einer Halbleiterschicht, in der die erste elektronische Schaltung und die zweite elektronische Schaltung integriert sind;
3A bis 3C veranschaulichen verschiedene Beispiele einer zweiten isolierenden Schicht, die in der Halbleiterschicht zwischen einem ersten Gebiet und einem zweiten Gebiet angeordnet ist;
4 veranschaulicht ein Beispiel der Kopplungsschaltung;
5 zeigt ein Schaltbild der in 4 gezeigten Schaltungsanordnung;
6 zeigt eine Draufsicht einer isolierenden Schicht, die gemäß einem Beispiel auf der Halbleiterschicht angeordnet ist und Kontaktflächen umfasst;
7 zeigt eine vertikale Schnittansicht eines Abschnitts der in 6 gezeigten isolierenden Schicht;
8 zeigt eine vertikale Schnittansicht eines Halbleiter-Packages, das eine Schaltungsanordnung des in 1 gezeigten Typs umfasst;
9 veranschaulicht eine Modifikation der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung;
10 veranschaulicht eine weitere Modifikation der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung;
11 zeigt eine Draufsicht eines Halbleiter-Packages, das eine Schaltungsanordnung des in 9 gezeigten Typs umfasst;
12 veranschaulicht die Verwendung der Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines Transistorbauelements;
13A und 13B veranschaulichen die Verwendung eines Transistorbauelements als High-Side-Schalter beziehungsweise als Low-Side-Schalter;
14 zeigt ein Beispiel der zweiten elektronischen Schaltung;
15 zeigt ein Beispiel einer Versorgungsschaltung, die dazu ausgebildet ist, eine durch die zweite elektronische Schaltung erhaltene Versorgungsspannung zu erzeugen;
16 zeigt ein Beispiel einer Schaltungsanordnung mit zwei elektrischen Schaltungen;
17 veranschaulicht eine Draufsicht einer Halbleiterschicht, in der eine Schaltungsanordnung des in 16 gezeigten Typs integriert werden kann;
18 veranschaulicht eine Schaltungsanordnung mit einer Kopplungsschaltung gemäß einem weiteren Beispiel;
19 veranschaulicht eine Draufsicht einer Halbleiterschicht der in 18 gezeigten Schaltungsanordnung;
20 veranschaulicht eine Modifikation der in 18 gezeigten Schaltungsanordnung; und
21 veranschaulicht schematisch eine Draufsicht einer Halbleiterschicht der in 20 gezeigten Schaltungsanordnung.

In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Die Zeichnungen bilden einen Teil der Beschreibung und zeigen zur Veranschaulichung Beispiele, wie die Erfindung verwendet und realisiert werden kann. Selbstverständlich können die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, sofern nicht explizit etwas anderes angegeben ist.
1 zeigt ein Beispiel einer Schaltungsanordnung 1 mit einer galvanischen Isolation zwischen einer ersten elektronischen Schaltung 2 und einer zweiten elektronischen Schaltung 3 und einer zwischen die erste elektronische Schaltung 2 und die zweite elektronische Schaltung 3 geschalteten Kopplungsschaltung 4. Die erste elektronische Schaltung 2 ist wenigstens teilweise in einem ersten Gebiet 120 einer Halbleiterschicht 100 integriert und die zweite elektrische Schaltung 3 ist wenigstens teilweise in einem zweiten Gebiet 130 der Halbleiterschicht 100 integriert. Die erste elektronische Schaltung 2 und die zweite elektronische Schaltung 3 sind bei dem in 1 gezeigten Beispiel jeweils schematisch als Schaltungsblöcke dargestellt. Diese Schaltungen 2, 3 können unter Verwendung herkömmlicher Technologien für integrierte Schaltungen als integrierte Schaltungen in den ersten und zweiten Gebieten 120, 130 der Halbleiterschicht 100 integriert sein. Damit kann die erste elektronische Schaltung 2 als erste integrierte Schaltung bezeichnet werden und die zweite elektronische Schaltung 3 als zweite integrierte Schaltung bezeichnet werden.
Gemäß einem Beispiel ist die erste elektronische Schaltung 2 an einen ersten Port 21, 22 (der in 1 in gestrichelten Linien dargestellt ist) angeschlossen und ist die zweite elektronische Schaltung 3 an einen zweiten Port 31, 32 (der in 1 in gestrichelten Linien dargestellt ist) angeschlossen. Der erste Port 21, 22 und der zweite Port 31, 32 können jeweils einen ersten Knoten 21, 31 und einen zweiten Knoten 22, 32 umfassen.
Die erste elektronische Schaltung 2 kann ein erstes Signal S1 an dem ersten Port 21, 22 erhalten und ein Signal, das von dem ersten Signal S1 abhängig ist, über die Kopplungsschaltung 4 an die zweite elektronische Schaltung 3 übertragen, und die zweite elektronische Schaltung 3 kann ein zweites Signal S3 an dem zweiten Port 31, 32 ausgeben, wobei das zweite Signal S3 abhängig ist von einem Signal, das von der ersten elektronischen Schaltung 2 über die Kopplungsschaltung 4 erhalten wird. Bei diesem Beispiel wirkt die erste elektronische Schaltung 2 als Schnittstellenschaltung, ist das erste Signal S1 ein Eingangssignal, wirkt die zweite elektronische Schaltung 3 als Ausgangsschaltung und ist das zweite Signal S3 ein Ausgangssignal.
Alternativ kann die zweite elektronische Schaltung 2 das zweite Signal S3 an dem zweiten Port 31, 32 erhalten und ein Signal, das von dem zweiten Signal S3 abhängig ist, über die Kopplungsschaltung 4 an die erste elektronische Schaltung 2 übertragen, und die erste elektronische Schaltung 2 kann das erste Signal S1 an dem ersten Port 21, 22 ausgeben, wobei das erste Signal S1 abhängig ist von einem Signal, das von der zweiten elektronischen Schaltung 2 über die Kopplungsschaltung 4 erhalten wird. Bei diesem Beispiel wirkt die zweite elektronische Schaltung 3 als Schnittstellenschaltung, ist das zweite Signal S3 ein Eingangssignal, wirkt die erste elektronische Schaltung 2 als Ausgangsschaltung und ist das erste Signal S1 ein Ausgangssignal.
Die Schaltungsanordnung kann dazu ausgebildet sein, (a) eine unidirektionale Kommunikation zwischen dem ersten Port 21, 22 und dem zweiten Port 31, 32 oder (b) eine bidirektionale Kommunikation zwischen dem ersten Port 21, 22 und dem zweiten Port 31, 32 durchzuführen. Im ersten Fall (a) ist eine von der ersten und zweiten elektronischen Schaltung 2, 3 eine Schnittstellenschaltung und ist die andere von der ersten und zweiten elektronischen Schaltung 2, 3 eine Ausgangsschaltung. Im zweiten Fall (b) sind die erste elektronische Schaltung 2 und die zweite elektronische Schaltung 3 jeweils eine Schnittstellen- und Ausgangsschaltung. Zu einem Zeitpunkt arbeitet eine von der ersten elektronischen Schaltung 2 und der zweiten elektronischen Schaltung 3 als Schnittstellenschaltung und erhält ein Eingangssignal von dem jeweiligen ersten oder zweiten Port 21, 22 oder 31, 32 an den es angeschlossen ist, und arbeitet die andere von der ersten elektronischen Schaltung 2 und der zweiten elektronischen Schaltung 3 als Ausgangsschaltung und gibt ein Signal an den jeweiligen ersten oder zweiten Port 21, 22 oder 31, 32, an den sie angeschlossen ist, aus.
Bezug nehmend auf 1 grenzt das zweite Gebiet 130 an eine erste isolierende Schicht 200 an, die auf einer ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100 gebildet ist. Optional umfasst die Schaltungsanordnung 1 wenigstens eine weitere (in 1 nicht dargestellte) Schicht unterhalb der isolierenden Schicht 200. Das heißt, die isolierende Schicht 200 kann auf wenigstens einer weiteren Schicht gebildet sein. Die wenigstens eine weitere Schicht kann eine elektrisch isolierende Schicht, eine halbleitende Schicht oder eine leitende Schicht umfassen. Gemäß einem Beispiel umfasst die wenigstens eine weitere Schicht nur eine Schicht. Gemäß einem weiteren Beispiel umfasst die wenigstens eine weitere Schicht einen Schichtstapel mit zwei oder mehr Schichten, wobei benachbarte Schichten unterschiedliche Materialien umfassen.
Außerdem ist das zweite Gebiet 130 durch eine zweite isolierende Schicht 300 von dem ersten Gebiet 120 isoliert. Bei dieser Schaltungsanordnung 1 kann eine Spannungssperrfestigkeit der ersten isolierenden Schicht 200 geringer als eine Spannungssperrfestigkeit der zweiten isolierenden Schicht 300, die eine vertikale Struktur ist, und geringer als eine Spannungssperrfestigkeit der Kopplungsschaltung sein. Dies ist im Detail weiter unten erläutert.
Gemäß einem Beispiel grenzt die erste isolierende Schicht 200 nicht nur an das zweite Gebiet 130 der Halbleiterschicht 100 an, sondern bedeckt die gesamte erste Oberfläche 101 der Halbleiterschicht 100, so dass sie auch an das erste Gebiet 120 der Halbleiterschicht 100 angrenzt. Gemäß einem Beispiel ist die Halbleiterschicht 100 eine monokristalline Halbleiterschicht, die wenigstens eines von monokristallinem Silizium (Si), Siliziumkarbid (SiC), Galliumarsenid (GaAs) oder Galliumnitrid (GaN) aufweist. Gemäß einem weiteren Beispiel ist die Halbleiterschicht eine zusammengesetzte Schicht, die zwei oder mehr Schichten aus unterschiedlichen monokristallinen Halbleitermaterialien aufweist.
Wie oben ausgeführt, isoliert die zweite isolierende Schicht 300 das erste Gebiet 120 von dem zweiten Gebiet 130 der Halbleiterschicht 100. Eine Signalkommunikation zwischen der Schnittstellenschaltung 2, die in dem ersten Gebiet 120 integriert ist, und der Ausgangsschaltung 3, die in dem zweiten Gebiet 130 integriert ist, wird durch die Kopplungsschaltung 4 gewährleistet. Diese Kopplungsschaltung 4 ist dazu ausgebildet, Information von der Schnittstellenschaltung 2 über die durch die zweite isolierende Schicht 300 gebildete Isolationsbarriere zu der Ausgangsschaltung 3 zu übertragen. Wie oben ausgeführt kann die Schaltungsanordnung 1 das zweite Signal S3 an dem zweiten Port 31, 32 basierend auf dem an dem ersten Port 21, 22 erhaltenen ersten Signal S1 erzeugen. Bei diesem Beispiel erhält die erste elektronische Schaltung 2 das erste Signal S1 und bildet die in dem ersten Signal S1 enthaltene Information auf ein Schnittstellenschaltungsausgangssignal S2 und erhält die Kopplungsschaltung 4 das Schnittstellenschaltungsausgangssignal S2 und erzeugt ein Kopplungsschaltungsausgangssignal S4. Das Kopplungsschaltungsausgangssignal S4 umfasst die in dem Schnittstellenschaltungsausgangssignal S2 enthaltene Information und damit die in dem ersten Signal S1 enthaltene Information. Die zweite elektronische Schaltung 3 erhält das Kopplungsschaltungsausgangssignal S4 und erzeugt das zweite Signal S3 basierend auf dem Kopplungsschaltungsausgangssignal S4, das die in dem ersten Signal S1 enthaltene Information umfasst, so dass das zweite Signal S2 basierend auf dem ersten Signal S1 erzeugt wird.
Gemäß einem Beispiel ist die Schaltungsanordnung 1 dazu ausgebildet, ein Transistorbauelement anzusteuern, das das zweite Signal S3 an einem Ansteuereingang erhält. Bei diesem Beispiel kann das zweite Signal S3 auch als Ansteuersignal bezeichnet werden. Beispiele eines Transistorbauelements sind weiter unten erläutert. Zum Ansteuern eines Transistorbauelements kann das erste Signal S1 eine Schaltinformation enthalten, wobei die Schaltinformation Zeitpunkte definiert, zu denen es gewünscht ist, das Transistorbauelement einzuschalten oder auszuschalten. Basierend auf der Schaltinformation, die in dem ersten Signal S1, das in diesem Beispiel ein Eingangssignal ist, enthalten ist, erzeugt die zweite elektronische Schaltung 3 das zweite Signal (Ansteuersignal) S3 derart, dass es entweder einen Ein-Pegel hat, der dazu ausgebildet ist, das Transistorbauelement einzuschalten, oder einen Aus-Pegel hat, der dazu ausgebildet ist, das Transistorbauelement auszuschalten.
1 zeigt nur einen Abschnitt der Halbleiterschicht 100, die die ersten und zweiten Gebiete 120, 130 enthält, und einen Abschnitt der zweiten isolierenden Schicht 300, die zwischen den ersten und zweiten Gebieten 120, 130 angeordnet ist. Bezug nehmend auf 1 kann sich die zweite isolierende Schicht 300 vollständig durch die Halbleiterschicht 100 in einer vertikalen Richtung z von der ersten Oberfläche 101 zu einer der ersten Oberfläche 101 gegenüber liegenden zweiten Oberfläche 102 erstrecken. Die „vertikale Richtung z“ der Halbleiterschicht ist eine Richtung senkrecht zu der ersten Oberfläche 101 und der zweiten Oberfläche 102.
Die Spannungssperrfestigkeit der gesamten Schaltungsanordnung 1 ist im Wesentlichen definiert durch die Spannungssperrfestigkeit (Durchschlagsfestigkeit) der ersten isolierenden Schicht 200. Die erste isolierende Schicht 200 kann auf einem elektrisch leitenden Träger angeordnet sein, der an das niedrigste elektrische Potential, wie beispielsweise Masse, angeschlossen ist, das während des Betriebs in der Schaltungsanordnung vorkommt. Damit kann die erste isolierende Schicht 200 durchbrechen, wenn eine Spannung zwischen einem beliebigen Schaltungsknoten in der Schaltungsanordnung, wie beispielsweise einem der Port-Knoten 21, 22, 31, 32, und dem niedrigsten Potential höher wird als die Spannungssperrfestigkeit der ersten isolierenden Schicht 200. Die Spannungssperrfestigkeit der ersten isolierenden Schicht 200 kann exakter eingestellt werden als die Spannungssperrfestigkeit der Kopplungsschaltung 4 oder die Spannungssperrfestigkeit der zweiten isolierenden Schicht 300. Wie oben ausgeführt ist die Spannungssperrfestigkeit der zweiten isolierenden Schicht 200 im Wesentlichen abhängig von einer Dicke d200 der ersten isolierenden Schicht 200, wenn diese unter Verwendung eines gegebenen Materials implementiert ist. Gemäß einem Beispiel kann die erste isolierende Schicht 200 so hergestellt werden, dass ihre Dicke d200 weniger als 0,2 Mikrometer von einer gewünschten Dicke abweicht und die gewünschte Dicke größer als 8 Mikrometer ist. In diesem Fall weicht die hergestellte Dicke weniger als 2,5% von der gewünschten Dicke ab, so dass die Spannungssperrfestigkeit weniger als 2,5% von der gewünschten Sperrspanungsfestigkeit abweicht, die der gewünschten Dicke zugeordnet ist. Gemäß einem Beispiel umfasst das Herstellen der ersten isolierenden Schicht 200 das Abscheiden der ersten isolierenden Schicht auf der Halbleiterschicht 100.
Das Herstellen der Kopplungsschicht 4 und/oder der zweiten isolierenden Schicht 300 kann komplexere Herstellungssequenzen als das Herstellen der ersten isolierenden Schicht 200 umfassen. Dadurch können die Spannungssperrfestigkeiten der Kopplungsschaltung 4 und/oder der zweiten isolierenden Schicht 300 nicht so genau eingestellt werden, wie die Spannungssperrfestigkeit der ersten isolierenden Schicht 200. Gemäß einem Beispiel können Abweichungen in den Herstellungsprozessen dazu führen, dass die Spannungssperrfestigkeit des Kopplers 4 und/oder der zweiten isolierenden Schicht 300 mehr als 20% oder mehr als 30% von einer gewünschten Spannungssperrfestigkeit abweichen.
Die Spannungssperrfestigkeit der Schaltungsanordnung ist ein wichtiges Merkmal während des Betriebs der Schaltungsanordnung, aber auch, wenn es um das Testen geht. Es kann für eine Schaltungsanordnung wünschenswert sein, dass sie annähernd exakt bei einer vorgegebenen Spannungssperrfestigkeit durchbricht. In einer Schaltungsanordnung des oben erläuterten Typs kann dies erreicht werden durch Realisieren der ersten isolierenden Schicht 200 (deren Spannungssperrfestigkeit genau eingestellt werden kann) mit einer Spannungssperrfestigkeit, die jeweils geringer ist als die Spannungssperrfestigkeit der Kopplungsschicht 4 und der zweiten isolierenden Schicht 300.
Gemäß einem Beispiel ist die erste isolierende Schicht 200 so realisiert, dass die Spannungssperrfestigkeit höher als 600V, höher als 800V oder höher als 1200V ist.
Bezug nehmend auf 2, die eine Draufsicht auf die zweite Oberfläche 102 der Halbleiterschicht 100 zeigt, kann die zweite isolierende Schicht 3 die Form eines Ringes haben und das zweite Gebiet 130 in horizontalen Richtungen der Halbleiterschicht 100 vollständig umgeben. „Horizontale Richtungen“ sind Richtungen parallel zu der ersten und zweiten Oberfläche 101, 102. Lediglich zur Veranschaulichung ist bei dem in 2 dargestellten Beispiel der durch die zweite isolierende Schicht 300 gebildete Ring ein rechteckförmiger Ring. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Eine beliebige andere Art von Ring, wie beispielsweise ein kreisförmiger Ring, ein elliptischer Ring oder ein polygonaler Ring können ebenso realisiert werden. Gemäß einem weiteren (nicht dargestellten) Beispiel isoliert die zweite isolierende Schicht 300 das erste Halbleitergebiet 120 von dem zweiten Halbleitergebiet 130, indem die zweite isolierende Schicht 300 das erste Halbleitergebiet 120 in lateralen Richtungen umgibt.
Die 3A bis 3C veranschaulichen Beispiele der zweiten isolierenden Schicht 300 weiter im Detail. Diese 3A bis 3C zeigen jeweils eine vertikale Schnittansicht eines Abschnitts der isolierenden Schicht 300.
Gemäß einem Beispiel, das in 3A gezeigt ist, besteht die isolierende Schicht 300 vollständig aus einem elektrisch isolierenden Material 310. Beispiele des isolierenden Materials 310 umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, ein Halbleiteroxid oder ein Nitrid. Gemäß einem Beispiel ist die Halbleiterschicht 100 eine monokristalline Siliziumschicht oder eine monokristalline Siliziumkarbidschicht. Bei diesem Beispiel kann das isolierende Material aus Siliziumdioxid (SiO2) bestehen.
Gemäß einem weiteren Beispiel, das in 3B dargestellt ist, umfasst die zweite isolierende Schicht 300 einen elektrisch leitenden Kern 320, der durch isolierende Schichten 310 elektrisch gegenüber der Halbleiterschicht 100 isoliert ist. Diese isolierenden Schichten 310 umfassen eines oder mehrere der Materialien, die anhand der in 3A dargestellten isolierenden Schicht 310 erläutert wurden. Gemäß einem Beispiel umfasst der elektrisch leitende Kern 320 ein polykristallines Halbleitermaterial, wie beispielsweise Polysilizium.
Das Herstellen einer zweiten isolierenden Schicht 300 des in 3A gezeigten Typs kann das Herstellen eines Grabens in der Halbleiterschicht 100 und das Füllen des Grabens mit einem elektrisch isolierenden Material 310 umfassen. Das Herstellen einer zweiten isolierenden Schicht 300 des in 3B gezeigten Typs kann das Herstellen eines Grabens in der Halbleiterschicht 100, das Herstellen der isolierenden Schicht 310 an Seitenwänden des Grabens, beispielsweise durch einen thermischen Oxidationsprozess, und das Füllen eines Restgrabens, der nach dem Herstellen des isolierenden Materials 310 verbleibt, durch das elektrisch leitende Material umfassen, wobei das elektrisch leitende Material den Kern 320 bildet.
Gemäß einem weiteren Beispiel, das in 3C dargestellt ist, umfasst die zweite isolierende Schicht 300 mehrere isolierende Teilschichten 300₁-300₃ , die in einer horizontalen Richtung (einer Richtung senkrecht zu der ersten und zweiten Oberfläche 101, 102) voneinander beabstandet sind und die durch Abschnitte 100₁ , 100₂ der Halbleiterschicht 100 voneinander getrennt sind. Jede der Teilschichten 300₁-300₃ kann gemäß einem der anhand der 3A und 3B erläuterten Beispiele realisiert sein. Gemäß einem Beispiel sind die Teilschichten 300₁-300₂ vom selben Typ. Gemäß einem Beispiel ist eine oder mehrere dieser Teilschichten gemäß 3A realisiert und ist wenigstens eine andere der Teilschichten 300₁-300₃ gemäß 3B realisiert. Lediglich zur Veranschaulichung umfasst die in 3C dargestellte zweite isolierende Schicht 300 drei Teilschichten 300₁-300₃ . Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Abhängig von der gewünschten Spannungssperrfestigkeit der zweiten isolierenden Schicht 300 kann die Anzahl der Teilschichten 300₁-300₃ beliebig gewählt werden.
Die Spannungssperrfestigkeit (die auch als Durchschlagsfestigkeit bezeichnet werden kann) der zweiten isolierenden Schicht 300 ist im Wesentlichen abhängig von der Art des Materials der isolierenden Schicht 310 und dessen Gesamtdicke beim kürzesten Abstand zwischen dem ersten Gebiet 120 und dem zweiten Gebiet 130. Im Wesentlichen ist die Spannungssperrfestigkeit gegeben durch die Durchschlagsfestigkeit des Isolationsmaterials 300 multipliziert mit der Gesamtdicke in der kürzesten Richtung zwischen dem ersten Gebiet 120 und dem zweiten Gebiet 130. Die „Gesamtdicke“ ist entweder die Dicke einer Schicht, wenn nur eine Schicht vorhanden ist, oder die Summe der Dicken von mehreren Schichten, wenn mehrere Schichten vorhanden sind. Die Durchschlagsfestigkeit von Siliziumdioxid (SiO₂) ist beispielsweise 2MV/cm.
Gemäß einem Beispiel koppelt die Kopplungsschaltung 4 die in dem ersten Gebiet 120 integrierte erste elektronische Schaltung 2 kapazitiv mit der in dem zweiten Gebiet 130 integrierten zweiten elektronischen Schaltung 3. Ein Beispiel, wie die Kopplungsschaltung 4 realisiert werden kann, ist in 4 dargestellt. Ein Schaltbild der in 4 gezeigten Kopplungsschaltung 4 ist in 5 dargestellt.
Bezug nehmend auf 5 umfasst die in 4 gezeigte Kopplungsschaltung 4 eine Reihenschaltung mit zwei Kondensatoren, einem ersten Kondensator C2, der an die erste elektronische Schaltung 2 angeschlossen ist, und einem zweiten Kondensator C3, der an die zweite elektronische Schaltung 3 angeschlossen ist. Bezug nehmend auf 4 werden diese zwei Kondensatoren C2, C3 gebildet durch eine erste Kondensatorplatte 41, die an die erste elektronische Schaltung 2 angeschlossen ist, eine zweite Kondensatorplatte 42, die an die zweite elektronische Schaltung 3 angeschlossen ist, eine dritte Kondensatorplatte 43, die zu der ersten Kondensatorplatte 41 beabstandet ist und kapazitiv mit der ersten Kondensatorplatte 41 gekoppelt ist, und eine vierte Kondensatorplatte, die zu der zweiten Kondensatorplatte 42 beabstandet ist und kapazitiv mit der zweiten Kondensatorplatte 42 gekoppelt ist. Die vier Kondensatorplatten 41-44 sind in einer dritten isolierenden Schicht 400 angeordnet, die auf der zweiten Oberfläche 102 der Halbleiterschicht 100 gebildet ist, wobei die an die erste elektronische Schaltung 2 angeschlossene erste Kondensatorplatte 41 oberhalb des ersten Gebiets 120 angeordnet sein kann und die an die zweite elektronische Schaltung 3 angeschlossene zweite Kondensatorplatte 42 oberhalb des zweiten Gebiets 130 angeordnet sein kann.
Diese dritte isolierende Schicht 400 bildet ein Kondensatordielektrikum in solchen Bereichen, in denen die isolierende Schicht 400 zwischen der ersten Kondensatorplatte 41 und der dritten Kondensatorplatte 43 und zwischen der zweiten Kondensator 42 und der vierten Kondensatorplatte 44 angeordnet ist. In 4 bezeichnet d1 einen Abstand zwischen der ersten Kondensatorplatte 41 und der dritten Kondensatorplatte 43 in der vertikalen Richtung der dritten isolierenden Schicht 400, welches eine Richtung senkrecht zu der zweiten Oberfläche 102 der Halbleiterschicht 100 ist. Außerdem bezeichnet d2 einen Abstand zwischen der zweiten Kondensatorplatte 42 und der vierten Kondensatorplatte 43. Nachfolgend wird der Abstand zwischen der ersten Kondensatorplatte 41 und der dritten Kondensatorplatte 43 auch als erster Abstand d1 bezeichnet und der Abstand zwischen der zweiten Kondensatorplatte 42 und der vierten Kondensatorplatte 44 auch als zweiter Abstand d2 bezeichnet. Ein dritter Abstand d3 ist ein Abstand zwischen der ersten Kondensatorplatte 41 und der zweiten Kondensatorplatte 42 in einer horizontalen Richtung der dritten isolierenden Schicht 400, welches eine Richtung parallel zu der zweiten Oberfläche 102 der Halbleiterschicht 100 ist.
Bezug nehmend auf 4 sind die dritte Kondensatorplatte 43 und die vierte Kondensatorplatte 44 weiter entfernt zu der Halbleiterschicht 100 angeordnet als die erste Kondensatorplatte 41 und die zweite Kondensatorplatte 42. Außerdem sind die dritte Kondensatorplatte 43 und die vierte Kondensatorplatte 44 elektrisch verbunden, wobei eine elektrische Verbindung 45 zwischen diesen Kondensatorplatten 43, 44 in 4 nur schematisch dargestellt ist. Diese Verbindung 45 kann unter Verwendung einer beliebigen Art von Verdrahtungsanordnung innerhalb der isolierenden Schicht 400 realisiert sein.
Gemäß einem weiteren Beispiel (das in 4 in gestrichelten Linien dargestellt ist) sind die dritte Kondensatorplatte 43, die vierte Kondensatorplatte 44 und die Verbindung zwischen diesen Kondensatorplatten 43, 44 durch eine einzelne Kondensatorplatte gebildet, die sich von oberhalb der ersten Kondensatorplatte 41 bis oberhalb der zweiten Kondensatorplatte 42 erstreckt.
Die Spannungssperrfestigkeit der in 4 dargestellten Kopplungsschaltung 4 ist abhängig von einer Durchschlagsfestigkeit des Materials der dritten isolierenden Schicht 400 und von den Abständen d1, d2, d3 zwischen den Kondensatorplatten 41, 42, 43. Gemäß einem Beispiel ist der dritte Abstand d3 größer als der erste Abstand d1 plus der zweite Abstand d2, d3 > d1 + d2. In diesem Fall ist die Spannungssperrfestigkeit im Wesentlichen gegeben durch die Durchschlagsfestigkeit des Materials der dritten isolierenden Schicht 400 multipliziert mit der Summe des ersten Abstands d1 und des zweiten Abstands d2. Gemäß einem Beispiel umfasst die dritte isolierende Schicht 400 wenigstens zwischen den Kondensatorplatten 41, 42, 43 ein undotiertes Silikatglas (undoped silicate glass, USG).
Die in den 4 und 5 gezeigte Realisierung der Kopplungsschaltung 4, wobei die Kopplungsschaltung 4 eine Kondensatorreihenschaltung mit zwei Kondensatoren C2, C3 umfasst, ist nur ein Beispiel. Über eine Reihenschaltung von Kondensatoren des in 5 gezeigten Typs kann ein gepulstes Signal übertragen werden. Gemäß einem weiteren Beispiel umfasst die Kopplungsschaltung 4 mehrere Reihenschaltungen, die jeweils zwei Kondensatoren umfassen und zwischen die erste elektronische Schaltung 2 und die zweite elektronische Schaltung 3 geschaltet sind. Unter Verwendung von zwei dieser Reihenschaltungen kann beispielsweise ein differentielles Signal übertragen werden.
6 zeigt eine Draufsicht der dritten isolierenden Schicht 4 gemäß einem Beispiel. Bei diesem Beispiel sind Kontaktflächen 521, 522 an einer ersten Oberfläche 401 der dritten isolierenden Schicht 400 oberhalb des ersten Gebiets 120 zugänglich und sind Kontaktflächen 531, 532 an der ersten Oberfläche 401 oberhalb des zweiten Gebiets 130 zugänglich. Gemäß einem Beispiel bilden die Kontaktflächen 521, 522 oberhalb des ersten Gebiets 120 die Knoten 21, 22 des ersten Ports oder sind Teil dieser Port-Knoten 21, 22 der elektronischen Schaltung 1. Entsprechend bilden die Kontakte 531, 532 oberhalb des zweiten Gebiets 130 die Knoten 31, 32 des zweiten Ports oder sind Teil dieser Port-Knoten 31, 32.
7 zeigt eine vertikale Schnittansicht der Halbleiterschicht 100 und der dritten isolierenden Schicht 400 in einer Schnittebene A-A, die durch die Kontaktflächen 531, 532 oberhalb des zweiten Gebiets 130 schneidet. Bezug nehmend auf 7 sind die Kontaktflächen 531, 532 elektrisch an die in dem zweiten Gebiet 130 integrierte zweite elektronische Schaltung 3 über elektrisch leitende Vias 533, 534 in der dritten isolierenden Schicht 400 angeschlossen. Die Kontaktflächen 521, 522 oberhalb des ersten Gebiets 120 können an die erste elektronische Schaltung 2 in entsprechender Weise unter Verwendung elektrisch leitender Vias angeschlossen sein, die sich von den Kontaktflächen 521, 522 durch die dritte isolierende Schicht 400 nach unten zu der in dem ersten Gebiet 120 integrierten ersten elektronischen Schaltung 2 erstrecken.
Gemäß einem Beispiel umfasst die Schaltungsanordnung ein Gehäuse (Package), in dem die Halbleiteranordnung mit der Halbleiterschicht 100 und dem ersten, zweiten und dritten isolierenden Schichten 200, 300, 400 angeordnet ist. Ein Beispiel einer Schaltungsanordnung, die ein Gehäuse umfasst, ist in 8 dargestellt. 8 zeigt eine vertikale Schnittansicht des Gehäuses 8 und der durch das Gehäuse 8 eingekapselten Halbleiteranordnung. Das Gehäuse 800, das in 8 in strichpunktierten Linien dargestellt ist, kann eine Pressmasse basierend auf einem Epoxidharz umfassen. Bezug nehmend auf 8 umfasst die Schaltungsanordnung außerdem Beine 622, 632, die aus dem Gehäuse 800 hervor stehen und die elektrisch an die Kontaktflächen auf der Oberfläche 401 der dritten isolierenden Schicht 400 angeschlossen sind. Diese Kontaktflächen, von denen die zweite Kontaktfläche 522 oberhalb des ersten Halbleitergebiets 120 und die zweite Kontaktfläche 532 oberhalb des zweiten Halbleitergebiets 130 dargestellt sind, sind über Bonddrähte 722, 732 elektrisch an ein jeweiliges Bein angeschlossen. Die Verwendung von Bonddrähten ist jedoch nur ein Beispiel. Gemäß einem weiteren Beispiel werden Flachleiter (nicht dargestellt) oder ähnliches verwendet, um die Kontaktflächen 522, 532 an die jeweiligen Beine 622, 632 anzuschließen. Gemäß einem Beispiel ist die Halbleiteranordnung mit der Halbleiterschicht 100 auf einem elektrisch leitenden Träger 624 befestigt, wobei eines der Beine 622 ein integraler Bestandteil des Trägers 624 sein kann. Gemäß einem Beispiel wird der zweite Eingangsknoten 22 durch das Bein 622 gebildet, das an den Träger 624 angeschlossen ist und an die erste Kontaktfläche 522 angeschlossen ist. Das weitere Bein 632 ist von dem Träger 624 getrennt und durch das Material des Gehäuses 800 elektrisch gegenüber dem Träger 624 isoliert.
Die Schaltungsanordnung umfasst wenigstens zwei weitere Beine, die voneinander und von den in 8 gezeigten Beinen 622, 632 isoliert sind. Diese Beine sind in 8 jedoch außerhalb der Darstellung. Eines dieser weiteren Beine ist an die erste Kontaktfläche 521 oberhalb des ersten Gebiets 120 angeschlossen und bildet den ersten Eingangsknoten 21, und das andere dieser weiteren Beine ist an die erste Kontaktfläche 531 oberhalb des zweiten Gebiets 130 angeschlossen und bildet den ersten Ausgangsknoten 31.
9 zeigt ein Schaltbild einer Modifikation der zuvor erläuterten Schaltungsanordnung. Bei diesem Beispiel umfasst die Schaltungsanordnung 1 einen Versorgungsknoten 23, wobei die Schaltungsanordnung 1 dazu ausgebildet ist, eine Versorgungsspannung V2 an diesem Versorgungsknoten 23 zu erhalten. Insbesondere ist die Versorgungsspannung V2 beispielsweise eine Spannung zwischen dem Versorgungsknoten 23 und dem zweiten Port-Knoten 22. Außerdem umfasst die zweite elektronische Schaltung 3 bei diesem Beispiel einen weiteren Versorgungsknoten 33, der dazu ausgebildet ist, eine Versorgungsspannung zu erhalten.
10 zeigt ein Schaltbild einer weiteren Modifikation der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung. Bei dem in 10 gezeigten Beispiel ist die Kopplungsschaltung 4 dazu ausgebildet, eine bidirektionale Signalkommunikation zwischen der ersten elektronischen Schaltung 2 und der zweiten elektronischen Schaltung 3 zu gewährleisten. Hierzu umfasst die Kopplungsschaltung 4 die anhand der 4 und 5 erläuterte Kondensatorreihenschaltung C2, C3 und wenigstens eine weitere Kondensatorreihenschaltung C2', C3'. Diese weitere Kondensatorreihenschaltung kann in derselben Weise wie die anhand der 4 und 5 erläuterte Kondensatorreihenschaltung C2, C3 realisiert sein. Die weitere Kondensatorreihenschaltung C2', C3' ist dazu ausgebildet, ein Signal S4' von der zweiten elektronischen Schaltung zu erhalten und ein Signal S2' basierend auf dem von der zweiten elektronischen Schaltung 3 erhaltenen Signal S4' an die erste elektronische Schaltung 2 zu liefern. Die erste elektronische Schaltung 2 ist dazu ausgebildet, ein Ausgangssignal S1' an einem weiteren Knoten 24 basierend auf diesem von der Kopplungsschaltung 4 erhaltenen Signal S2' bereitzustellen. Gemäß einem Beispiel ist das Ausgangssignal S1' eine Spannung zwischen dem weiteren Knoten 24 und dem zweiten Port-Knoten 22. Letzterer kann auch als Referenzknoten oder Masseknoten bezeichnet werden.
11 zeigt eine Draufsicht der Schaltungsanordnung des in 8 gezeigten Typs, die zwei erste Port-Knoten 21, 22, einen Versorgungsknoten 23, zwei zweite Port-Knoten 31, 32 und einen weiteren Versorgungsknoten 33 umfasst. Jeder dieser ersten Port-, zweiten Port- und Versorgungs-Knoten 21-23, 31-33 wird durch ein Bein 621-623, 631-633 gebildet, das aus dem Gehäuse 800 herausragt. Diese Beine 621-633 sind jeweils durch einen jeweiligen Bonddraht 721-733 (wie dargestellt), einen Flachleiter (nicht dargestellt) oder Ähnliches an eine jeweilige Kontaktfläche 521-533 an der ersten Oberfläche 401 der dritten isolierenden Schicht 400 angeschlossen. Vier Kontaktflächen 521, 522, 531, 532 dieser Kontaktflächen sind die anhand von 6 erläuterten Kontaktflächen, eine 523 dieser Kontaktflächen bildet zusammen mit dem jeweiligen Bein 623 und Bonddraht 723 den Versorgungsknoten 23 und ein anderes 533 dieser Kontaktflächen bildet zusammen mit dem jeweiligen Bein 633 und Bonddraht 733 den weiteren Versorgungsknoten 33. In 11 sind die Bezugszahlen der ersten Port-, zweiten Port- und Versorgungs-Knoten der Schaltungsanordnung, die durch die jeweiligen Beine 621-632 gebildet sind, in Klammern neben der Bezugszahl der Beine angegeben.
Selbstverständlich kann die in 11 gezeigte Schaltungsanordnung so modifiziert werden, dass sie mehr als drei Knoten 21-23, die an die erste elektronische Schaltung 2 angeschlossen sind, und mehr als drei Knoten 31-33, die an die zweite elektronische Schaltung 3 angeschlossen sind, umfasst. Diese ist allerdings in 11 nicht dargestellt.
Gemäß einem Beispiel ist die Schaltungsanordnung 1 dazu ausgebildet ein Transistorbauelement anzusteuern. Dies ist in 12 dargestellt, wobei die Schaltungsanordnung in dieser Figur nur durch einen Schaltungsblock repräsentiert ist. Bei diesem Beispiel ist der zweite Port 31, 32 ein Ausgang der Schaltungsanordnung, so dass die Knoten 31, 32 des zweiten Ports als erste und zweite Ausgangsknoten 31, 32 der Schaltungsanordnung 1 bezeichnet werden können. Diese ersten und zweiten Ausgangsknoten sind bei dem in 12 dargestellten Beispiel an einen Ansteuereingang des Transistorbauelements T1 angeschlossen. Lediglich zur Veranschaulichung ist bei diesem Beispiel das Transistorbauelement T1 ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Der Ansteuereingang dieses IGBT T1 ist durch einen Gateknoten G und einen Emitterknoten E gebildet. Das Realisieren des Transistorbauelements T1 als IGBT ist nur ein Beispiel. Gemäß einem weiteren (nicht dargestellten) Beispiel ist das Transistorbauelement ein MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), ein Bipolar-Sperrschicht-Transistor (Bipolar Junction Transistor, BJT), oder ähnliches.
Das in 12 gezeigte Transistorbauelement T1 ist ein spannungsgesteuertes Bauelement, das abhängig von einem Signalpegel des zweiten Signals (Ansteuersignal) S3, das an dem Ansteuereingang G-E erhalten wird, ein- oder ausschaltet. Gemäß einem Beispiel schaltet das Transistorbauelement T1 ein, wenn ein Signalpegel des Ansteuersignals S_DRV höher ist als ein Schwellenpegel des Transistorbauelements T1, und schaltet aus, wenn der Signalpegel des Ansteuersignals S3 unterhalb des Schwellenpegels liegt. Die Schaltungsanordnung 1 erzeugt das Ansteuersignal S3 basierend auf dem ersten Signal (Eingangssignal) S1 auf die zuvor erläuterte Weise.
Das Transistorbauelement T1 kann als elektronischer Schalter verwendet werden, der in Reihe zu einer Last geschaltet ist. Das Transistorbauelement T1 und die Last können in einer von mehreren verschiedenen Konfigurationen miteinander verschaltet sein. Zwei Beispiele sind in den 13A und 13B dargestellt, wobei diese Figuren jeweils nur das Transistorbauelement T1 und die Last Z zeigen, die Schaltungsanordnung 1 ist nicht dargestellt. Bei dem in 13A dargestellten Beispiel ist das Transistorbauelement T1 ein High-Side-Schalter. In diesem Fall ist das Transistorbauelement T1 zwischen die Last Z und einen ersten Versorgungsknoten, an dem ein positives Versorgungspotential V+ verfügbar ist, geschaltet. Ein Schaltungsknoten der Last Z, der von dem Transistorbauelement T1 weg zeigt, ist an einen Schaltungsknoten angeschlossen, an dem ein negatives Versorgungspotential V- oder Massepotential verfügbar ist. 13B zeigt ein Beispiel, bei dem das Transistorbauelement T1 in Low-Side-Schalter ist. Bei diesem Beispiel ist das Transistorbauelement T1 zwischen die Last Z und das negative Versorgungspotential V- geschaltet. Bei jedem dieser Beispiele ist eine Laststrecke des Transistorbauelements T1 in Reihe zu der Last Z geschaltet. Bei einem IGBT, wie in den 13A und 13B dargestellt, ist die Laststrecke eine Kollektor-Emitter-Strecke, welches eine interne Schaltungsstrecke zwischen einem Kollektorknoten C und dem Emitterknoten E des IGBT ist.
Die Last Z ist in den 13A und 13B nur schematisch dargestellt. Diese Last kann eine beliebige Art von induktiver, resistiver oder kapazitiver Last sein. Die Last Z kann sogar eine elektronische Schaltung mit mehreren Schaltungselementen sein. Gemäß noch einem weiteren Beispiel ist die Last Z ein weiteres Transistorbauelement, das mit dem in den 13A und 13B gezeigten Transistorbauelement T1 eine Halbbrücke bildet.
14 veranschaulicht ein Beispiel einer zweiten elektronischen Schaltung 3, die dazu ausgebildet ist, das Ansteuersignal S3 basierend auf dem Kopplungsschaltungsausgangssignal S4 zu erzeugen. Bei diesem Beispiel umfasst die zweite elektronische Schaltung 3 eine Schnittstellenschaltung 34. Diese Schnittstellenschaltung 34 ist dazu ausgebildet, das Kopplungsschaltungsausgangssignal S4 zu erhalten und ein Steuersignal S34 basierend auf diesem Kopplungsschaltungsausgangssignal S4 zu erzeugen. Das Steuersignal S34 repräsentiert das durch die Schaltungsanordnung erhaltene erste Signal (Eingangssignal) S1 und enthält damit eine Information darüber, ob das Transistorbauelement T1 eingeschaltet oder ausgeschaltet werden soll. Gemäß einem Beispiel hat dieses Steuersignal S34 einen von einem Ein-Pegel und einem Aus-Pegel, wobei der Ein-Pegel ein Signalpegel ist, der anzeigt, dass es gewünscht ist, das Transistorbauelement T1 einzuschalten, und der Aus-Pegel ein Signalpegel ist, der anzeigt, dass es gewünscht ist, das Transistorbauelement T1 auszuschalten.
Bezug nehmend auf 14 erzeugt ein Treiber das Treibersignal S3 basierend auf diesem Steuersignal S34. Bei dem in 14 gezeigten Beispiel umfasst der Treiber einen ersten Schalter 37₁, der zwischen einem Schaltungsknoten, an dem ein Treiberversorgungspotential V3 verfügbar ist, und den ersten Ausgangsknoten 31 geschaltet ist. Ein zweiter Schalter 37₂ ist zwischen den ersten Ausgangsknoten 31 und den zweiten Ausgangsknoten 32 geschaltet. Ein Schalter-Controller 35 steuert den ersten Schalter 37₁ und den zweiten Schalter 37₂ basierend auf dem Steuersignal S34 an. Wenn das Steuersignal S34 anzeigt, dass es gewünscht ist, das Transistorbauelement T1 einzuschalten, schaltet der Schalter-Controller 35 den ersten elektronischen Schalter 37₁ ein und den zweiten elektronischen Schalter 37₂ aus. In diesem Fall wird eine interne Kapazität (die in den Zeichnungen nicht gezeigt ist), die zwischen den Gateknoten G und den Emitterknoten E des Transistorbauelements T1 geschaltet ist, geladen, wobei das Transistorbauelement T1 einschaltet, wenn eine Spannung über dieser Kapazität die Schwellenspannung des Transistorbauelements T1 erreicht. Optional ist eine erste Stromquelle 36₁ in Reihe zu dem ersten Schalter 37₁ geschaltet. Diese optionale Stromquelle 36₁ definiert einen in die Kapazität fließenden Strom I36₁, wenn der erste Schalter 37₁ im Ein-Zustand ist, und definiert damit die Schaltgeschwindigkeit des Transistorbauelements T1. Wenn das Steuersignal S34 anzeigt, dass es gewünscht ist, das Transistorbauelement T1 auszuschalten, schaltet der Schalter-Controller 35 den ersten Schalter 37₁ aus und den zweiten Schalter 37₂ ein. In diesem Fall wird die interne Kapazität entladen, so dass das Transistorbauelement T1 ausschaltet. Optional ist eine zweite Stromquelle 36₂ in Reihe zu dem zweiten elektronischen Schalter 37₂ geschaltet.
15 veranschaulicht ein Beispiel einer elektronischen Schaltung, die dazu verwendet werden kann, die durch die zweite elektronische Schaltung erhaltene Treiberversorgungsspannung V3 zu erzeugen. Bei diesem Beispiel ist die externe Schaltung eine Bootstrap-Schaltung, die umfasst: einen Kondensator 51, der zwischen den Versorgungsknoten 33 der zweiten elektronischen Schaltung 3 und den zweiten Ausgangsknoten 32 geschaltet ist, eine Diode 52, die zwischen den Versorgungsknoten 23 der ersten elektronischen Schaltung 2 und den Kondensator geschaltet ist.
Die Schaltungsanordnung des zuvor erläuterten Typs ist geeignet, ein Transistorbauelement anzusteuern. 16 zeigt eine Modifikation der Schaltungsanordnung, wobei die in 16 gezeigte Schaltungsanordnung dazu ausgebildet ist, zwei Transistorbauelemente anzusteuern. Diese Schaltungsanordnung basiert auf der zuvor erläuterten Schaltungsanordnung und umfasst zwei erste elektronische Schaltungen 2₁ , 2₂ , zwei Kopplungsschaltungen 4₁ , 4₂ und zwei zweite elektronische Schaltungen 3₁ , 3₂ . Diese zweiten elektronischen Schaltungen umfassen jeweils zwei Ausgangsknoten 31₁ , 31₂ , 32₁ , 32₂ und sind dazu ausgebildet, basierend auf einem jeweiligen Eingangssignal S1₁, S1₂ ein Ansteuersignal S3₁, S3₂ an ein jeweiliges der Transistorbauelemente zu liefern. Die ersten elektronischen Schaltungen 2₁ , 2₂ umfassen jeweils zwei erste Eingangsknoten 21₁ , 21₂ und einen zweiten Eingangsknoten 22, wobei der zweite Eingangsknoten 22 den zwei ersten elektronischen Schaltungen 2₁ , 2₂ gemeinsam sein kann. Außerdem können beide ersten elektronischen Schaltungen 2₁ , 2₂ dieselbe Versorgungsspannung von dem Versorgungsknoten 23 erhalten.
17 zeigt eine Draufsicht einer Halbleiterschicht 100, in der die Schaltungsanordnung des in 16 gezeigten Typs integriert sein kann. Bei diesem Beispiel gibt es zwei zweite Gebiete 130₁ , 130₂ , wobei diese zweiten Gebiete 130₁ , 130₂ jeweils von dem ersten Gebiet 120 durch eine zweite isolierende Schicht 300₁ , 300₂ isoliert sind. In jedem dieser zweiten Gebiete 130₁ , 130₂ ist eine der zweiten elektronischen Schaltungen 3₁ , 3₂ integriert. Die erste und zweite erste elektronische Schaltung 2₁ , 2₂ kann in dem ersten Gebiet 120 integriert sein.
Obwohl 16 eine Schaltungsanordnung zeigt, die dazu ausgebildet ist, zwei Transistorbauelemente anzusteuern, ist dies nur ein Beispiel. Gemäß einem weiteren Beispiel können drei, vier oder sechs Transistorbauelemente durch die Schaltungsanordnung angesteuert werden. In diesem Fall umfasst die Schaltungsanordnung eine entsprechende Anzahl von ersten elektronischen Schaltungen und zweiten elektronischen Schaltungen, wobei die ersten elektronischen Schaltungen in demselben ersten Gebiet 120 der Halbleiterschicht 100 integriert sein können, während die Ausgangsschaltungen jeweils in einem jeweiligen zweiten Gebiet integriert sind, wobei die zweiten Gebiete durch zweite isolierende Schichten voneinander und von dem ersten Gebiet isoliert sind. In jedem Fall kann eine Spannungssperrfestigkeit der ersten isolierenden Schicht 200 geringer sein als eine Spannungssperrfestigkeit jeder der zweiten isolierenden Schichten 300₁ , 300₂ und eine Spannungssperrfestigkeit jeder der Kopplungsschaltungen 4₁-4₂ .
In den oben erläuterten Beispielen umfasst die Kopplungsschaltung 4 vier Kondensatorplatten 41-44, wobei eine dritte und vierte Kondensatorplatte 43, 44 dieser Kondensatorplatten 41-44 durch eine Platte gebildet sein können. 18 zeigt eine Kopplungsschaltung 4 gemäß einem weiteren Beispiel. Bei diesem Beispiel sind die dritte und vierte Kondensatorplatte 43, 44 getrennt und über eine weitere Kondensatorplatte 46 kapazitiv gekoppelt. Diese weitere Kondensatorplatte 46 ist oberhalb eines dritten Halbleitergebiets 140 und in der dritten isolierenden Schicht 400 angeordnet.
Bezug nehmend auf 19, die eine Draufsicht der in 18 gezeigten Halbleiterschicht 100 zeigt, ist das dritte Halbleitergebiet 140 von dem ersten Gebiet 120 durch eine erste Teilschicht 300₁ der zweiten isolierenden Schicht 300 elektrisch isoliert und von dem zweiten Gebiet 130 durch eine zweite Teilschicht 300₂ der zweiten isolierenden Schicht 300 elektrisch isoliert. Außerdem ist das erste Gebiet 120 durch die ersten und zweiten Teilschichten 300₁ , 300₂ oder (nicht dargestellt) durch eine isolierende Schicht mit einer Durchschlagsfestigkeit, die wenigstens gleich der Durchschlagsfestigkeit der ersten Teilschicht 300₁ plus der Durchschlagsfestigkeit der zweiten Teilschicht 300₂ ist, von dem zweiten Gebiet 130 getrennt.
Die weitere Kondensatorplatte 46 kann als einzelne Kondensatorplatte (wie dargestellt) realisiert sein oder kann zwei getrennte Plattenabschnitte umfassen, einen ersten Plattenabschnitt benachbart zu der dritten Kondensatorplatte 43 und einen zweiten Plattenabschnitt benachbart zu der vierten Kondensatorplatte 44, wobei die zwei Plattenabschnitte (in 18 nicht gezeigt) in einer beliebigen Weise elektrisch verbunden sind.
Die in 18 gezeigte Kopplungsschaltung umfasst vier in Reihe geschaltete Kondensatoren: den oben erläuterten ersten Kondensator, der durch die erste Kondensatorplatte 41, die dritte Kondensatorplatte 43 und einen Abschnitt der dritten isolierenden Schicht 400, der die erste Kondensatorplatte 41 von der dritten Kondensatorplatte 43 trennt, gebildet ist; den oben erläuterten zweiten Kondensator, der durch die zweite Kondensatorplatte 43, die vierte Kondensatorplatte 44 und einen Abschnitt der dritten isolierenden Schicht 400, der die zweite Kondensatorplatte 42 von der vierten Kondensatorplatte 43 trennt, gebildet ist; einen dritten Kondensator, der durch die dritte Kondensatorplatte 43, die weitere Kondensatorplatte 46 und einen Abschnitt der dritten isolierenden Schicht 400, der die dritte Kondensatorplatte 41 von der weiteren Kondensatorplatte 46 trennt, gebildet ist; und einen vierten Kondensator, der durch die weitere Kondensatorplatte 46, die vierte Kondensatorplatte 44 und einen Abschnitt der dritten isolierenden Schicht 400, der die weitere Kondensatorplatte 46 von der vierten Kondensatorplatte 44 trennt, gebildet ist. Der dritte Kondensator ist zwischen den ersten Kondensator und den vierten Kondensator geschaltet, und der vierte Kondensator ist zwischen den dritten Kondensator und den zweiten Kondensator geschaltet.
Gemäß einem Beispiel ist ein horizontaler Abstand zwischen der ersten Kondensatorplatte 41 und der weiteren Kondensatorplatte 46 größer als die Summe eines vertikalen Abstands zwischen der ersten Kondensatorplatte 41 und der dritten Kondensatorplatte 43 und eines vertikalen Abstands zwischen der dritten Kondensatorplatte 43 und der weiteren Kondensatorplatte 46, ist ein horizontaler Abstand zwischen der dritten Kondensatorplatte 43 und der vierten Kondensatorplatte 44 größer als die Summe eines vertikalen Abstands zwischen der dritten Kondensatorplatte 43 und der vierten Kondensatorplatte 46 und eines vertikalen Abstands zwischen der weiteren Kondensatorplatte 46 und der vierten Kondensatorplatte 44, und ist ein horizontaler Abstand zwischen der weiteren Kondensatorplatte 46 und der zweiten Kondensatorplatte 42 größer als die Summe eines vertikalen Abstands zwischen der weiteren Kondensatorplatte 46 und der vierten Kondensatorplatte 44 und eines vertikalen Abstands zwischen der vierten Kondensatorplatte 44 und der zweiten Kondensatorplatte 42. In diesem Fall ist die Spannungssperrfestigkeit der Kopplungsschaltung 4 im Wesentlichen gegeben durch die Summe der Spannungssperrfestigkeiten des ersten, zweiten, dritten und vierten Kondensators, wobei eine Spannungssperrfestigkeit eines einzelnen dieser Kondensatoren abhängig von einem vertikalen Abstand der Kondensatorplatten des jeweiligen Kondensators ist.
Die Spannungssperrfestigkeit der Kopplungsschaltung 4 kann weiter erhöht werden (bei Verwendung desselben Materials der dritten isolierenden Schicht 400 und derselben vertikalen Abstände zwischen den einzelnen Kondensatorplatten) durch Bereitstellen von mehr als einer weiteren Kondensatorplatte. Ein Beispiel einer Kopplungsschaltung 4 mit drei weiteren Kondensatorplatten 46₁ , 46₂ , 46₃ ist in 20 dargestellt, eine Draufsicht des in 20 gezeigten Halbleiterkörpers 100 ist in 21 gezeigt.
Bei dem in 20 gezeigten Beispiel sind die dritte und vierte Kondensatorplatte 43, 44 getrennt. Die dritte Kondensatorplatte 43 ist mit einer ersten weiteren Kondensatorplatte 46₁ kapazitiv gekoppelt, die erste weitere Kondensatorplatte 46₁ ist mit einer zweiten weiteren Kondensatorplatte 46₂ kapazitiv gekoppelt, die zweite weitere Kondensatorplatte 46₂ ist mit einer dritten weiteren Kondensatorplatte 46₃ kapazitiv gekoppelt, und die dritte weitere Kondensatorplatte 46₃ ist mit der vierten Kondensatorplatte kapazitiv gekoppelt. Auf diese Weise werden sechs in Reihe geschaltete Kondensatoren gebildet. Die erste weitere Kondensatorplatte 46₁ ist oberhalb des dritten Halbleitergebiets 140 und in der dritten isolierenden Schicht 400 angeordnet, die dritte weitere Kondensatorplatte 46₃ ist oberhalb eines vierten Halbleitergebiets 150 und in der dritten isolierenden Schicht 400 angeordnet, und die zweite weitere Kondensatorplatte 46₂ ist in der dritten isolierenden Schicht 400 angeordnet und in der vertikalen Richtung jeweils von der ersten weiteren Kondensatorplatte 46₁ und der dritten weiteren Kondensatorplatte 46₃ beabstandet.
Bezug nehmend auf 21 ist das dritte Halbleitergebiet 140 durch eine erste Teilschicht 300₁ der zweiten isolierenden Schicht 300 von dem ersten Gebiet 120 elektrisch isoliert und durch eine zweite Teilschicht 300₂ der zweiten isolierenden Schicht 300 von dem vierten Gebiet 150 elektrisch isoliert und ist das vierte Halbleitergebiet 150 durch eine dritte Teilschicht 300₃ der zweiten isolierenden Schicht 300 von dem zweiten Gebiet 130 elektrisch isoliert. Außerdem ist das erste Gebiet 130 von dem vierten Gebiet 150 durch die ersten und zweiten Teilschichten 300₁ , 300₂ oder (nicht dargestellt) durch eine isolierende Schicht mit einer Durchschlagsfestigkeit, die wenigstens gleich der Durchschlagsfestigkeit der ersten Teilschicht 300₁ plus der Durchschlagsfestigkeit der zweiten Teilschicht 300₂ ist, getrennt. Außerdem ist das erste Gebiet 120 von dem zweiten Gebiet 150 durch die erste, zweite und dritte Teilschicht 300₁ , 300₂ , 300₃ oder (nicht dargestellt) durch eine isolierende Schicht mit einer Durchschlagsfestigkeit, die wenigstens gleich der Durchschlagsfestigkeit der ersten Teilschicht 300₁ plus der Durchschlagsfestigkeit der zweiten Teilschicht 300₂ plus der Durchschlagsfestigkeit der dritten Teilschicht 300₃ ist, getrennt.
Die weiteren Kondensatorplatten 46₁ , 46₂ , 46₃ können jeweils als einzelne Kondensatorplatte (wie dargestellt) realisiert sein oder können zwei getrennte Plattenabschnitte umfassen, wie oben anhand der in 18 gezeigten weiteren Kondensatorplatte erläutert wurde.
Bei der in 4 gezeigten Kopplungsschaltung ist die dritte Kondensatorplatte 43 elektrisch an die vierte Kondensatorplatte 44 angeschlossen. In den in 18 und 20 gezeigten Kopplungsschaltungen ist die dritte Kondensatorplatte 43 elektrisch mit der vierten Kondensatorplatte 44 über wenigstens eine weitere Kondensatorplatte - eine weitere Kondensatorplatte 46 bei dem in 18 gezeigten Beispiel und drei weitere Kondensatorplatten 46₁ , 46₂ , 46₃ bei dem in 20 gezeigten Beispiel - verbunden.

Claims

Schaltungsanordnung, die aufweist: eine erste elektronische Schaltung (2); eine zweite elektronische Schaltung (3); und eine Kopplungsschaltung (4), die zwischen die erste elektronische Schaltung (2) und die zweite elektronische Schaltung (3) geschaltet ist, wobei die erste elektronische Schaltung (2) wenigstens teilweise in einem ersten Gebiet (120) einer Halbleiterschicht (100) integriert ist, wobei die zweite elektronische Schaltung (3) wenigstens teilweise in einem zweiten Gebiet (130) der Halbleiterschicht (100) integriert ist, wobei das zweite Gebiet (130) an eine erste isolierende Schicht (200), die auf einer ersten Oberfläche (101) des Halbleiterkörpers (100) gebildet ist, angrenzt und durch eine zweite isolierende Schicht (300) elektrisch von dem ersten Gebiet isoliert ist, wobei die Kopplungsschaltung (4) in einer dritten isolierenden Schicht (400) angeordnet ist, die auf einer zweiten Oberfläche (102) der Halbleiterschicht (100) gebildet ist, und wenigstens zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren (C2, C3) aufweist, und wobei eine Spannungssperrfestigkeit der ersten isolierenden Schicht (200) geringer als eine Spannungssperrfestigkeit der zweiten isolierenden Schicht (300) und eine Spannungssperrfestigkeit der Kopplungsschaltung (4) ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, die weiterhin aufweist: einen ersten Port (21, 22), der an die erste elektronische Schaltung (2) angeschlossen ist, und einen zweiten Port (31, 32), der an die zweite elektronische Schaltung (3) angeschlossen ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Kopplungsschaltung (4) aufweist: eine erste Kondensatorplatte (41), die an die erste elektronische Schaltung (2) angeschlossen ist; eine zweite Kondensatorplatte (42), die an die zweite elektronische Schaltung (3) angeschlossen ist und die in einer horizontalen Richtung der dritten isolierenden Schicht (400) zu der ersten Kondensatorplatte (41) beabstandet ist; eine dritte Kondensatorplatte (43), die von der ersten Kondensatorplatte (41) in einer vertikalen Richtung der dritten isolierenden Schicht (400) beabstandet ist; und eine vierte Kondensatorplatte (44), die von der zweiten Kondensatorplatte (42) in der vertikalen Richtung der dritten isolierenden Schicht (400) beabstandet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, wobei die dritte Kondensatorplatte (43) und die vierte Kondensatorplatte (44) elektrisch verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, wobei der die dritte Kondensatorplatte (43) und die vierte Kondensatorplatte (44) durch eine elektrisch leitende Platte gebildet sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, wobei die dritte Kondensatorplatte (43) und die vierte Kondensatorplatte (44) über wenigstens eine weitere Kondensatorplatte (46; 46₁, 46₂, 46₃) kapazitiv gekoppelt sind, wobei die wenigstens eine weitere Kondensatorplatte (46; 46₁, 46₂, 46₃) oberhalb eines Halbleitergebiets angeordnet ist, das von dem ersten Gebiet (120) und dem zweiten Gebiet (130) isoliert ist.
Schaltungsanordnung nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite isolierende Schicht (300) sich durch die Halbleiterschicht (100) in einer vertikalen Richtung erstreckt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, wobei die zweite isolierende Schicht (300) mehrere Via-Abschnitte (300₁-300₃) aufweist, die sich jeweils durch die Halbleiterschicht (100) in der vertikalen Richtung der Halbleiterschicht (100) erstrecken und voneinander in horizontalen Richtungen beabstandet sind.
Schaltungsanordnung nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, die weiterhin aufweist: einen elektrisch leitenden Träger (622), der auf der ersten isolierenden Schicht (200) befestigt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, wobei der erste Port einen ersten Knoten (21) und einen zweiten Knoten (22) aufweist, und wobei der Träger (622) elektrisch an die erste elektronische Schaltung (2) angeschlossen ist und den zweiten Knoten (22) bildet.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, die weiterhin aufweist: ein Gehäuse (800), das den Halbleiterkörper (100) umgibt und das den Träger (622) wenigstens teilweise umgibt.