DE102019128072A1

DE102019128072A1 - Transistorbauelement mit einem variierenden flächenbezogenen spezifischen gaterunnerwiderstand

Info

Publication number: DE102019128072A1
Application number: DE102019128072.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Aichinger; Wolfgang Bergner; Ralf Siemieniec; Frank Wolter
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2019-10-17
Filing date: 2019-10-17
Publication date: 2021-04-22
Anticipated expiration: 2039-10-18
Also published as: CN112687686A; US11417747B2; US20210119006A1; DE102019128072B4

Abstract

Beschrieben wird ein Transistorbauelement. Das Transistorbauelement umfasst: mehrere Transistorzellen (10), die jeweils eine Gateelektrode (16) aufweisen und die jeweils wenigstens teilweise in einem Halbleiterkörper integriert sind, der ein Halbleitermaterial mit weitem Bandabstand umfasst; ein Gatepad (32), das auf dem Halbleiterkörper (100) angeordnet ist; und mehrere Gaterunner (31) die jeweils auf dem Halbleiterkörper (100) angeordnet sind und die jeweils an die Gateelektroden (16) von wenigstens einigen der mehreren Transistorzellen (10) angeschlossen sind. Die Gaterunner (31) haben jeweils eine Längsrichtung, und wenigstens einer der Gaterunner (31) umfasst wenigstens einen Abschnitt, in dem ein flächenbezogener spezifischer Widerstand in der Längsrichtung mit zunehmendem Abstand zu dem Gatepad (32) entlang des Gaterunners (31) zu nimmt.

Description

Diese Beschreibung betrifft allgemein ein Transistorbauelement, insbesondere ein Transistorbauelement auf Basis eines Halbleitermaterials mit weitem Bandabstand (engl.: „wide band gap semiconductor material“).
Transistorbauelemente sind als elektrische Schalter in verschiedenen Arten von elektronischen Anwendungen weit verbreitet. Einige Arten von Transistorbauelementen sind spannungsgesteuerte Bauelemente, die abhängig von einer an einem Ansteuereingang erhaltenen Ansteuerspannung ein- und ausschalten. Beispiele von spannungsgesteuerten Transistorbauelementen umfassen MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), JFETs (Junction Field-Effect Transistors), oder ähnliche.
Das Ändern des Schaltzustands eines Transistorbauelements kann eine Änderung eines Laststroms durch das Bauelement bewirken, so dass der Laststrom von null ansteigt, wenn das Transistorbauelement einschaltet, und auf null absinkt, wenn das Transistorbauelement ausschaltet. Je schneller der Transistor seinen Schaltzustand ändert, umso höher kann der Gradient des Laststroms sein. Ein sich ändernder Laststrom kann Spannungsspitzen in parasitären Induktivitäten einer an das Transistorbauelement angeschlossenen Last und/oder in parasitären Induktivitäten von Verbindungsleitungen zwischen dem Transistorbauelement, der Last und einer Spannungsquelle verursachen. Grundsätzlich ist ein Spannungspegel von Spannungsspitzen umso höher, je höher der Gradient des Laststroms ist.
Um Spannungsspitzen zu vermeiden, die mit dem Schalten eines Transistorbauelements zusammenhängen, besteht ein Bedarf nach einem Transistorbauelement mit einem sanften Schaltverhalten.
Ein Beispiel betrifft ein Transistorbauelement. Das Transistorbauelement umfasst mehrere Transistorzellen, die jeweils eine Gateelektrode umfassen und die jeweils wenigstens teilweise in einem Halbleiterkörper integriert sind, der ein Halbleitermaterial mit einem weiten Bandabstand umfasst, ein auf dem Halbleiter angeordnetes Gatepad, und mehrere Gaterunner, die jeweils auf dem Halbleiterkörper angeordnet sind und die jeweils an die Gateelektroden wenigstens einiger der mehreren Transistorzellen angeschlossen sind. Die Gaterunner haben jeweils eine Längsrichtung und wenigstens einer der Gaterunner umfasst wenigstens einen Abschnitt, in dem ein flächenbezogener spezifischer Widerstand in der Längsrichtung mit zunehmendem Abstand zu dem Gatepad entlang des Gaterunners zunimmt.
Beispiele sind unten anhand von 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 dieselben Bezugszeichen gleiche Merkmale.

1 veranschaulicht ein Beispiel einer elektronischen Schaltung, die ein Transistorbauelement als elektronischen Schalter umfasst;
2 zeigt eine Draufsicht auf ein Transistorbauelement gemäß einem Beispiel, wobei das Transistorbauelement ein Gatepad und mehrere Gaterunner umfasst;
3 veranschaulicht ein Ersatzschaltbild des in 2 gezeigten Transistorbauelements;
4A bis 4E veranschaulichen verschiedene Beispiele von Profilen eines flächenbezogenen spezifischen Widerstands wenigstens eines der Gaterunner;
5A und 5B veranschaulichen eine vertikale Schnittansicht in einer Längsrichtung bzw. eine vertikale Schnittansicht in einer Querrichtung eines Gaterunners gemäß einem Beispiel;
6A bis 6E veranschaulichen Draufsichten eines Gaterunners des in den 5A und 5B dargestellten Typs gemäß verschiedener Beispiele;
7A und 7B veranschaulichen eine Draufsicht bzw. eine vertikale Schnittansicht in einer Querrichtung eines Gaterunners gemäß einem Beispiel;
8A bis 8E veranschaulichen vertikale Schnittansichten in einer Längsrichtung eines Gaterunners des in den 7A und 7B dargestellten Typs gemäß verschiedener Beispiele;
9A bis 9C veranschaulichen eine Draufsicht, eine vertikale Schnittansicht in einer Querrichtung bzw. eine vertikale Schnittansicht in einer Längsrichtung eines Gaterunners gemäß einem weiteren Beispiel;
10 veranschaulicht eine vertikale Schnittansicht eines Transistorbauelements gemäß einem Beispiel;
11 veranschaulicht eine Modifikation des in 10 dargestellten Transistorbauelements;
12A und 12B veranschaulichen eine vertikale Schnittansicht bzw. eine horizontale Schnittansicht eines Transistorbauelements gemäß 10;
13 zeigt eine Draufsicht eines Transistorbauelements gemäß einem weiteren Beispiel;
14 veranschaulicht eine vertikale Schnittansicht eines Transistorbauelements gemäß einem Beispiel; und
15 veranschaulicht eine Draufsicht eines Abschnitts eines Transistorbauelements gemäß einem weiteren Beispiel.

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 veranschaulicht eine elektronische Schaltung, die ein Transistorbauelement 1 und eine Last Z umfasst. Der Transistor 1 wird als elektronischer Schalter zum Schalten eines Laststroms I_DS durch die Last Z verwendet und umfasst einen Ansteuereingang G-S, der dazu ausgebildet ist, eine Ansteuerspannung V_GS zu erhalten, und eine Laststrecke D-S, die in Reihe zu der Last Z geschaltet ist. Die Reihenschaltung mit der Laststrecke D-S des Transistorbauelements 1 und der Last Z erhält eine Versorgungsspannung V_SUP von einer Spannungsquelle (nicht dargestellt). Die Last Z kann eine beliebige Art von elektrischer Last oder Lastschaltung umfassen.
Lediglich zur Veranschaulichung ist das in 1 gezeigte Transistorbauelement ein MOSFET, genauer, ein n-leitender Anreicherungs-MOSFET. Die Laststrecke dieser Art von Transistorbauelement ist ein interner Strompfad zwischen einem Drainknoten D und einem Sourceknoten S des Transistorbauelements. Außerdem ist der Ansteuereingang durch einen Gateknoten G und den Sourceknoten S (wie in 1 dargestellt) oder einen zusätzlichen Schaltungsknoten (in 1 nicht gezeigt) gebildet. Bei dieser Art von Transistorbauelement kann die Ansteuerspannung V_GS auch als Gate-Source-Spannung bezeichnet werden. Allerdings ist das Realisieren des Transistorbauelements 1 als n-leitender Anreicherungs-MOSFET nur ein Beispiel. Andere Beispiele des Transistorbauelements 1 umfassen einen n-leitenden Verarmungs-MOSFET, einen p-leitenden Anreicherungs- oder Verarmungs-MOSFET, oder ähnliche.
Das Transistorbauelement 1 schaltet abhängig von einem Spannungspegel der an dem Ansteuereingang erhaltenen Ansteuerspannung V_GS ein oder aus. Das Transistorbauelement 1 ist in einem Ein-Zustand, in dem es in der Lage ist, einen von null verschiedenen Laststrom I_DS zu leiten, wenn die Ansteuerspannung V_GS höher als eine Schwellenspannung des Transistorbauelements 1. Außerdem ist das Transistorbauelement 1 in einem Aus-Zustand, in dem es in der Lage ist, die Drainspannung V_DS zu sperren, wenn die Ansteuerspannung V_GS unterhalb der Schwellenspannung ist. Beispielsweise bei einem n-leitenden Anreicherungs-MOSFET ist die Schwellenspannung eine positive Spannung von beispielsweise zwischen 1V und 5V.
Abhängig von der speziellen Realisierung des Transistorbauelements 1 kann eine Sperrspannungsfestigkeit des Transistorbauelements beispielsweise zwischen einigen 10V und einigen Kilovolt (kV) sein. Die „Sperrspannungsfestigkeit“ ist die maximale Spannung, der das Transistorbauelement zwischen den Lastknoten D, S standhalten kann.
Nachfolgend wird ein Spannungspegel der Ansteuerspannung V_GS, der höher ist als die Schwellenspannung des Transistorbauelements 1, als Ein-Pegel bezeichnet und wird ein Spannungspegel der Ansteuerspannung V_GS, der niedriger ist als die Schwellenspannung, als Aus-Pegel bezeichnet. Wenn sich die Ansteuerspannung V_GS vom Aus-Pegel auf den Ein-Pegel, oder umgekehrt, ändert, gibt es üblicherweise eine Verzögerungszeit, bevor das Transistorbauelement 1 seinen Schaltzustand ändert. Das heißt, wenn sich die Ansteuerspannung beispielsweise vom Aus-Pegel auf den Ein-Pegel ändert, gibt es eine Verzögerungszeit zwischen dem Zeitpunkt, zu dem sich der Spannungspegel der Ansteuerspannung V_GS ändert, und dem Zeitpunkt, zu dem das Transistorbauelement 1 vom Aus-Zustand in den Ein-Zustand schaltet. Diese Zeitverzögerung ist durch einen internen Gatewiderstand R_G und eine Gate-Source-Kapazität C_GS begründet. Der interne Gatewiderstand ist ein Widerstand zwischen dem Gateknoten G und einem internen Gateknoten des Transistorbauelements 1, und die interne Gate-Source-Kapazität ist eine Kapazität zwischen dem internen Gateknoten und dem Sourceknoten S. Das Transistorbauelement 1 ist beispielsweise im Ein-Zustand, wenn eine interne Gate-Source-Spannung, welches die Spannung über der Gate-Source-Kapazität C_GS ist, höher ist als die Schwellenspannung. Wenn die Ansteuerspannung V_GS vom Aus-Pegel auf den Ein-Pegel wechselt, muss die Gate-Source-Kapazität C_GS somit über den Gatewiderstand R_G geladen werden, bevor das Transistorbauelement 1 einschaltet. Grundsätzlich ist die Verzögerungszeit umso größer, je höher der Gatewiderstand R_G ist und je höher die Gate-Source-Kapazität C_GS ist.
Außerdem hat das Transistorbauelement 1 einen Einschaltwiderstand, welches der elektrische Widerstand zwischen dem Drainknoten D und dem Sourceknoten S im Ein-Zustand ist. Dieser Einschaltwiderstand ist abhängig von der internen Gate-Source-Spannung und nimmt innerhalb eines bestimmten Spannungsbereichs ab, wenn die interne Gate-Source-Spannung zunimmt. Der Einschaltwiderstand ist relativ hoch, wenn die interne Gate-Source-Spannung gleich der Schwellenspannung ist, und nimmt ab, wenn die interne Gate-Source-Spannung weiter zunimmt. Üblicherweise wird das Transistorbauelement so angesteuert, dass der Ein-Pegel der Ansteuerspannung V_GS wesentlich höher ist als die Schwellenspannung des Transistorbauelements 1.
Der Gatewiderstand R_G und die Gate-Source-Kapazität C_GS beeinflussen nicht nur die Schaltverzögerung, welches die Verzögerungszeit zwischen dem Zeitpunkt, zu dem die Ansteuerspannung V_GS ihren Spannungspegel ändert, und dem Zeitpunkt, zu dem das Transistorbauelement 1 seinen Schaltzustand ändert, ist, sondern der Gate-Widerstand R_G und die Gate-Source-Kapazität C_GS beeinflussen auch den weiteren Anstieg der internen Gate-Source-Spannung, nachdem die interne Gate-Source-Spannung die Schwellenspannung erreicht hat. Das heißt, außer anderen Parametern, wie beispielsweise einer Gate-Drain-Kapazität C_GD (nicht dargestellt) des Transistorbauelements, beeinflussen der Gate-Widerstand R_G und die Gate-Source-Kapazität C_GS auch wie schnell der Einschaltwiderstand abnimmt, wenn das Transistorbauelement 1 einschaltet. Ein Gradient des abnehmenden Einschaltwiderstands, wenn das Transistorbauelement einschaltet, oder ein Gradient des ansteigenden Einschaltwiderstands, wenn das Transistorbauelement ausschaltet, kann als Schaltgeschwindigkeit des Transistorbauelements 1 bezeichnet werden. Je schneller der Einschaltwiderstand abnimmt, das heißt, je schneller das Transistorbauelement 1 einschaltet, umso schneller nimmt der Laststrom I_DS zu und umso höher ist der Gradient des Laststroms I_DS. Der sich ändernde Laststrom I_DS kann zu Spannungsspitzen über parasitären Induktivitäten in der elektronischen Schaltung führen. Parasitäre Induktivitäten in der elektronischen Schaltung sind in der in 1 gezeigten Schaltung durch eine Induktivität L_P repräsentiert. Grundsätzlich ist ein Spannungspegel von Spannungsspitzen, die auftreten können, wenn das Transistorbauelement 1 seinen Zustand ändert, umso höher, je höher der Gradient des Laststroms I_DS ist.
Abhängig von der speziellen Realisierung des Transistorbauelements 1 kann die Gate-Source-Kapazität C_GS relativ gering sein. Dies kann zu einem hohen Gradienten des abnehmenden Einschaltwiderstands, wenn das Transistorbauelement 1 seinen Schaltzustand ändert, und damit zu einem hohen Gradienten des Laststroms I_DS führen. Transistorbauelemente auf Basis eines Halbleiters mit weitem Bandabstand, wie beispielsweise Transistorbauelemente auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) haben im Vergleich zu Transistorbauelementen auf Basis von Silizium (Si) mit derselben Sperrspannungsfestigkeit und demselben (minimalen) Einschaltwiderstand eine relativ geringe Gate-Source-Kapazität C_GS.
In verschiedenen Schaltungsanwendungen sind hohe Gradienten des Laststroms I_DS, und damit hohe Spannungsspitzen über parasitäre Induktivitäten unerwünscht. Es ist daher wünschenswert, ein Transistorbauelement mit weitem Bandabstand, insbesondere ein SiC-basiertes Transistorbauelement mit einem sanften Schaltverhalten zur Verfügung zu stellen. Ein „sanftes Schaltverhalten“ umfasst, dass ein Gradient des Einschaltwiderstands, wenn das Transistorbauelement seinen Schaltzustand ändert, im Vergleich zu einem herkömmlichen Transistorbauelement, reduziert ist.
Eine Draufsicht eines Beispiels eines Transistorbauelements mit einem sanften Schaltverhalten ist in 2 dargestellt. Bezug nehmend auf 2 umfasst das Transistorbauelement 1 einen Halbleiterkörper 100 und mehrere Transistorzellen, die wenigstens teilweise in dem Halbleiterkörper 100 integriert sind. Beispiele dieser Transistorzellen sind weiter unten im Detail erläutert. Die Transistorzellen umfassen jeweils eine Gateelektrode 16, wobei die Gateelektroden bei dem in 2 gezeigten Beispiel nur schematisch durch gestrichelte Linien dargestellt sind. Außerdem umfasst das Transistorbauelement 1 mehrere Gaterunner 31, die auf dem Halbleiterkörper 100 angeordnet sind, wobei diese Gaterunner 31 jeweils an die Gateelektrode 16 wenigstens einiger der mehreren Transistorzellen angeschlossen sind. Außerdem sind die Gaterunner 31 jeweils an ein Gatepad 32 angeschlossen, das auf dem Halbleiterkörper 100 angeordnet ist. Das Gatepad 31 bildet den Gateknoten oder ist an den Gateknoten G des Transistorbauelements 1 angeschlossen. Die Gaterunner 31 können direkt an das Gatepad 31 angeschlossen sein oder können über einen Verbindungsrunner 33 an das Gatepad 32 angeschlossen sein.
Bezug nehmend auf 2 haben die Gaterunner 31 jeweils eine Längsrichtung und eine Querrichtung, wobei die Querrichtung senkrecht zu der Längsrichtung ist. Eine Abmessung jedes Gaterunners 31 in der jeweiligen Längsrichtung ist größer als die Abmessung in der jeweiligen Querrichtung. Lediglich zur Veranschaulichung sind die Gaterunner bei dem in 2 gezeigten Beispiel im Wesentlichen parallel zueinander. Bei diesem Beispiel entsprechen Längsrichtungen der Gaterunner 31 einer ersten horizontalen Richtung x des Halbleiterkörpers 100 und entsprechen Querrichtungen der Gaterunner 31 einer zweiten horizontalen Richtung y des Halbleiterkörpers 100. Diese ersten und zweiten horizontalen Richtungen x, y des Halbleiterkörpers 100 sind im Wesentlichen parallel zu einer oberen Oberfläche des Halbleiterkörpers 100, auf der die Gaterunner 31 und das Gatepad 32 angeordnet sind. Die Gateelektroden 16 können langgetreckte Gateelektroden sein, die eine Längsrichtung haben, die der zweiten horizontalen Richtung y entspricht. Bei diesem Beispiel sind die Längsrichtungen der Gaterunner 31 und die Längsrichtungen der Gateelektroden 16 im Wesentlichen senkrecht zueinander. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Andere Beispiele sind weiter unten erläutert.
3 veranschaulicht ein Ersatzschaltbild des in 2 gezeigten Transistorbauelements. Zur Veranschaulichung sei angenommen, dass das Transistorbauelement m Gaterunner 31 (wobei m ≥ 2) umfasst, die in 3 mit 31₁ , 31₂ , 31_m bezeichnet sind. Außerdem sei angenommen, dass diese Gaterunner 31₁ , 31₂ , 31_m jeweils an die Gateelektroden 16 von Transistorzellen einer jeweiligen Gruppe von Transistorzellen angeschlossen sind. In 3 bezeichnet 1₁ die Gruppe von Transistorzellen, die an den Gaterunner 31₁ angeschlossen sind, bezeichnet 1₂ die Gruppe von Transistorzellen, die an den Gaterunner 31₂ angeschlossen sind, und bezeichnet 1_m die Gruppe von Transistorzellen, die an den Gaterunner 31_m angeschlossen sind. Außerdem bezeichnen die Bezugszeichen 10₁₁- 10_1n . die in der ersten Gruppe 1₁ enthaltenen Transistorzellen, bezeichnen die Bezugszeichen 10₂₁-10₂ . die Transistorzellen in der Gruppe 1₂ und bezeichnen die Bezugszeichen 10_m1-10_nm die Transistorzellen in der Gruppe 1_m . Die einzelnen Gruppen 1₁-1_m können dieselbe Anzahl von Transistorzellen haben oder können unterschiedliche Anzahlen von Transistorzellen haben. Nachfolgend bezeichnet das Bezugszeichen 10 eine beliebige der mehreren Transistorzellen, wenn keine Unterscheidung zwischen den einzelnen Transistorzellen 10₁₁-10_mn notwendig ist. In 3 sind diese Transistorzellen 10 jeweils durch das Schaltsymbol eines Transistors repräsentiert. Lediglich zur Veranschaulichung sind die Transistorzellen bei diesem Beispiel Transistorzellen eines n-leitenden Anreichungs-MOSFETs. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Die Transistorzellen können auch in beliebiger anderer Weise realisiert sein.
Bezug nehmend auf 3 sind die Transistorzellen 10 parallel geschaltet. Das heißt, die Transistorzellen 10 haben jeweils einen internen Drainknoten, der an den Drainknoten D des Transistorbauelements angeschlossen ist, und die Transistorzellen 10 haben jeweils einen internen Sourceknoten, der an den Sourceknoten S des Transistorbauelements angeschlossen ist. Außerdem sind interne Gateknoten der Transistorzellen 10 an den Gateknoten G des Transistorbauelements über den jeweiligen Gaterunner 31 angeschlossen (wobei 31 einen beliebigen der in 3 gezeigten mehreren Gaterunner 31₁-3Im bezeichnet). Das heißt, interne Gateknoten der Transistorzellen 1₁₁- 1_1n der ersten Gruppe 1₁ sind an den Gateknoten G über den Gaterunner 31₁ angeschlossen, Transistorzellen 1₂₁1₂ . der zweiten Gruppe 1₂ sind an den Gateknoten G über den Gaterunner 31₂ angeschlossen, und so weiter. Die internen Gateknoten der Transistorzellen 10 sind gemäß einem Beispiel durch die Gateelektroden 16 (vergleiche 2) der jeweiligen Transistorzellen gebildet. Diese Gateelektroden sind bei dem in 3 gezeigten Beispiel als 16₁₁-16_mn bezeichnet.
Die Transistorzellen 10 umfassen jeweils eine Gate-Source-Kapazität (in 3 nicht gezeigt), wobei eine jeweilige Transistorzelle 10 einschaltet, wenn die Gate-Source-Spannung der jeweiligen Transistorzelle 10 höher wird als die Schwellenspannung der Transistorzelle. Gemäß einem Beispiel haben die Transistorzellen 10 im Wesentlichen dieselbe Schwellenspannung. Gemäß einem weiteren Beispiel umfasst das Transistorbauelement wenigstens zwei Gruppen von Transistorzellen mit unterschiedlichen Schwellenspannungen.
Der Prozess des Einschaltens des Transistorbauelements 1 wird nachfolgend anhand der Transistorzellen 10₁₁- 10_1n . der ersten Gruppe 1₁ erläutert, wobei dieser Einschaltprozess in den Transistorzellen der anderen Gruppen 1₂-1_m entsprechend verläuft. Zur Erläuterung sei angenommen, dass die Gateelektroden 16₁₁-16_1n der einzelnen Transistorzellen 1₁₁-1_1n an den Gaterunner 31₁ an verschiedenen Positionen des Gaterunners 31₁ in der Längsrichtung des Gaterunners 31₁ angeschlossen sind. Damit sind Abstände entlang des Gaterunners 31₁ und des optionalen Verbindungsrunners 33 zwischen Positionen, an denen die Gateelektroden 16₁₁-16_1n der einzelnen Transistorzellen 10₁₁-10_1n an den Gaterunner 31₁ angeschlossen sind, und dem Gatepad 32 unterschiedlich.
Grundsätzlich kann der Gaterunner 31₁ als Reihenschaltung angesehen werden, die mehrere Widerstände 31₁₁-31_1n und mehrere Abgriffe umfasst, wobei die Gateelektrode 16₁₁-16_1n jeder der Transistorzellen 10₁₁-10_1n . an einen jeweiligen Abgriff der Widerstandsreihenschaltung angeschlossen ist. Ein erster Widerstand 31₁₁ der Reihenschaltung repräsentiert einen Abschnitt des Gaterunners 31₁ zwischen dem Gatepad 32 oder dem Verbindungsrunner 33 und einer Position einer Gateelektrode 16₁ einer ersten 10₁₁ der Transistorzellen. Ein zweiter Widerstand 31₁₂ repräsentiert einen Abschnitt des Gaterunners 31₁ zwischen der Position, an der die Gateelektrode 16₁₁ der ersten Transistorzelle 10₁₁ an den Gaterunner 31₁ angeschlossen ist, und einer Position, an der eine Gateelektrode 16₁₂ einer zweiten Transistorzelle 10₁₂ der ersten Gruppe 1₁ an den Gaterunner 31₁ angeschlossen ist. Ein dritter Widerstand 31₁₃ repräsentiert einen Abschnitt des Gaterunners 31₁ zwischen einer Position, an der die Gateelektrode 16₁₂ der zweiten Transistorzelle 1₁₂ an den Gaterunner 31₁ angeschlossen ist, und einer Position, an der eine Gateelektrode 16₁₃ einer dritten Transistorzelle 10₁₃ an den Gaterunner 31₁ angeschlossen ist, und so weiter. Der Widerstand 33₁, der zwischen den Gateknoten G und den ersten Widerstand 31₁₁ geschaltet ist, repräsentiert den Widerstand des optionalen Verbindungsrunners 33.
Bei dem in 3 gezeigten Transistorbauelement haben die Transistorzellen 10₁₁- 10_1m. der ersten Gruppe 1₁ unterschiedliche Gatewiderstände, wobei der Gatewiderstand einer Transistorzelle gegeben ist durch den elektrischen Widerstand zwischen dem Gateknoten G und der Gateelektrode 16 (wobei 16 eine beliebige der mehreren Gateelektroden bezeichnet) der jeweiligen Transistorzelle 10. In der ersten Gruppe 1₁ hat die erste Transistorzelle 10₁₁ den geringsten Gatewiderstand und hat die Transistorzelle 10_1n, die entlang des Gaterunners 31₁ am Weitesten beabstandet zu dem Gatepad 31 angeordnet ist, den höchsten Gatewiderstand. Wenn sich also die Ansteuerspannung V_GS vom Aus-Pegel auf den Ein-Pegel ändert, ist die Gate-Source-Spannung der ersten Transistorzelle 10₁₁ die erste, die die Schwellenspannung erreicht, dann erreicht die Gate-Source-Spannung der zweiten Transistorzelle 10₁₂ die Schwellenspannung, und so weiter. Damit ist die Transistorzelle 10₁₁ die erste, die einschaltet, dann schaltet die zweite Transistorzelle 10₁₂ ein, und so weiter. Damit ist bei einem Transistorbauelement des in 2 gezeigten Typs unvermeidlich eine Verzögerungszeit zwischen Zeitpunkten, zu denen die einzelnen Transistorzellen 10 einschalten, vorhanden. Das aufeinanderfolgende Einschalten der einzelnen Transistorzellen 10 hat den Effekt, dass der Einschaltwiderstand des Transistorbauelements, der gegeben ist durch eine Parallelschaltung der Einschaltwiderständer der einzelnen Transistorzellen 10, zunehmend abnimmt.
Bei einigen Arten von Transistorbauelementen, insbesondere bei Transistorbauelementen auf Basis eines Halbleiters mit weitem Bandabstand, sind diese Verzögerungszeiten eher kurz und nicht ausreichend, um ein gewünschtes sanftes Schaltverhalten zu erreichen. Daher ist bei dem Transistorbauelement gemäß 2 wenigstens einer der Gaterunner 31 so realisiert, dass ein flächenbezogener spezifischer Widerstand des Gaterunners 31 in der Längsrichtung mit zunehmendem Abstand zu dem Gatepad 32 entlang des Gaterunners 31 zu nimmt.
Der flächenbezogene spezifische Widerstand des Gaterunners 31 an einer bestimmten Position des Gaterunners 31 ist gegeben durch den spezifischen Widerstand des Gaterunners an der bestimmten Position geteilt durch eine Querschnittsfläche des Gaterunners 31 in einer Schnittebene parallel zu der Querrichtung (das heißt, senkrecht zu der Längsrichtung) des Gaterunners 31. Der Gaterunner kann an der bestimmten Position homogen aus einem Gaterunner-Material gebildet sein. In diesem Fall ist der flächenbezogene spezifische Widerstand an einer bestimmten Position x in der Längsrichtung RPA(x) gegeben durch den spezifischen Widerstand p(x) an dieser Position dividiert durch die Querschnittsfläche A(x) an dieser Position, das heißt, $RPA (x) = \frac{ρ (x)}{A (x)}$
Gemäß einem Beispiel umfasst der Gaterunner 31 zwei oder mehr leitende Schichten mit unterschiedlichen spezifischen Widerständen. In diesem Fall ist der flächenbezogene spezifische Widerstand an einer bestimmten Position x gegeben durch $RPA (x) = \frac{1}{\sum_{i = 1}^{k} \frac{A_{i} (x)}{ρ_{i} (x)}}$
wobei k die Anzahl der unterschiedlichen Schichten bezeichnet, Ai die Querschnittsfläche einer bestimmten Schicht bezeichnet und pi(x) den spezifischen Widerstand der jeweiligen Schicht bezeichnet. Der flächenbezogene spezifische Widerstand an einer bestimmten Position entspricht einem Widerstand pro Längeneinheit des Gaterunners an der bestimmten Position.
Durch Realisieren wenigstens eines der Gaterunner 31 derart, dass der flächenbezogene spezifische Widerstand (RPA, resistivity per area) in der Längsrichtung zunimmt, kann eine Verzögerungszeit zwischen dem Zeitpunkt, zu dem eine erste der an den Gaterunner 31 angeschlossenen Transistorzellen einschaltet, und dem Zeitpunkt, zu dem eine letzte der an den Gaterunner 31 angeschlossenen Transistorzellen einschaltet, erheblich vergrößert werden um ein sanftes Schaltverhalten des Transistorbauelements zu erreichen, auch wenn die Gate-Source-Kapazitäten eher klein sind,.
Nachfolgend bezeichnet RPA_MAX einen maximalen flächenbezogenen spezifischen Widerstand des Gaterunners 31 und bezeichnet RPA_MIN einen minimalen flächenbezogenen spezifischen Widerstand des Gaterunners 31. Gemäß einem Beispiel ist eine Variation des flächenbezogenen spezifischen Widerstands in der Längsrichtung derart, dass ein Verhältnis RPA_MAX/RPA_MIN zwischen dem maximalen und dem minimalen flächenbezogenen spezifischen Widerstand wenigstens 1,5, wenigstens 2, wenigstens 5 oder wenigstens 10 ist.
Der RPA des Gaterunners 31 kann auf verschiedene Weise variieren. Einige Beispiele sind in den 4A bis 4E veranschaulicht, wobei diese Figuren jeweils den RPA entlang der Längsrichtung des Gaterunners 31 zwischen einer ersten Position x0 und einer zweiten Position x1 veranschaulichen. Bezug nehmend auf 2 ist die erste Position x0 eine Position am nächsten zu dem Gatepad 31 und ist die zweite Position x1 eine am weitesten zu dem Gatepad 32 entfernte Position. Nachfolgend wird die erste Position x0 auch als Anfang des Gaterunners 31 bezeichnet und wird die zweite Position x1 auch als Ende des Gaterunners 31 bezeichnet.
Bezug nehmend auf 4A kann der RPA zwischen dem Anfang x0 des Gaterunners und dem Ende x1 des Gaterunners kontinuierlich zunehmen. In diesem Fall hat der Gaterunner den minimalen flächenbezogenen spezifischen Widerstand RPA_MIN zu Beginn und den maximalen flächenbezogenen spezifischen Widerstand RPA_MAX am Ende des Gaterunners 31.
Gemäß weiterer Beispiele, die in den 4B und 4C dargestellt sind, kann der Gaterunner einen Abschnitt umfassen, in dem der RPA im Wesentlichen konstant ist und einen weiteren Abschnitt umfassen, in dem der RPA kontinuierlich zunimmt. Bei dem in 4B gezeigten Beispiel schließt sich der Abschnitt mit dem konstanten RPA an den Beginn x0 des Gaterunners 31 an. Bei dem in 4C gezeigten Beispiel schließt sich der Abschnitt mit dem konstanten RPA an das Ende des Gaterunners 31 an.
Gemäß einem weiteren Beispiel, das in 4D dargestellt ist, umfasst der Gaterunner zwei oder mehr Abschnitte, in denen der RPA im Wesentlichen konstant ist. Der RPA ist in den unterschiedlichen Abschnitten derart unterschiedlich, dass der jeweilige RPA umso höher, je weiter entfernt ein jeweiliger Abschnitt zu dem Gatepad 42 ist. Bei dem in 4D gezeigten Beispiel umfasst der Gaterunner 31 drei Abschnitte, wobei der RPA in jedem dieser Abschnitte im Wesentlichen konstant ist, aber der RPA in den einzelnen Abschnitten derart unterschiedlich ist, dass der RPA entlang der Längsrichtung zunimmt. Das Vorhandensein von drei unterschiedlichen Abschnitten ist allerdings nur ein Beispiel. Grundsätzlich kann der Gaterunner eine beliebige Anzahl von zwei oder mehr dieser Gaterunner-Abschnitte umfassen.
Gemäß einem weiteren Beispiel, das in 4E dargestellt ist, umfasst der Gaterunner 31 zwei oder mehr Abschnitte, in denen der RPA kontinuierlich zunimmt, wobei eine Steigung des Anstiegs in den einzelnen Abschnitten unterschiedlich ist.
Bei jedem dieser Beispiele umfasst der Gaterunner wenigstens einen Abschnitt, in dem der RPA in der Längsrichtung mit zunehmendem Abstand zum Anfang x0 des Gaterunners zunimmt.
Wie oben ausgeführt, ist der RPA an einer bestimmten Position des Gaterunners 31 abhängig von dem spezifischen Widerstand des Gaterunner-Materials an dieser Position und der Querschnittsfläche des Gaterunners an dieser Position. Damit kann der RPA durch Variieren des spezifischen Widerstands und/oder der Querschnittsfläche in der Längsrichtung variiert werden.
Beispiele, wie der RPA durch Variieren der Querschnittsfläche des Gaterunners 31 variiert werden kann, werden anhand der 5A und 5B und 6A bis 6E erläutert. 5A veranschaulicht eine vertikale Schnittansicht eines Beispiels eines Gaterunners 31 in einer ersten Schnittebene Y-Y, die sich in der Längsrichtung x des Gaterunners 31 erstreckt. 5B veranschaulicht eine vertikale Schnittansicht des Gaterunners 31 in einer zweiten vertikalen Schnittebene Z-Z, die sich in der Querrichtung des Gaterunners 31 erstreckt. Bezug nehmend auf die 5A und 5B hat der Gaterunner 31 eine Länge 1 in der Längsrichtung, eine Breite w in der Querrichtung und eine Höhe h in einer Richtung senkrecht zu der Längsrichtung und der Querrichtung. Der Gaterunner 31 kann homogen aus einem elektrisch leitenden Material bestehen, wie beispielsweise einem beliebigen Metall oder einer beliebigen Metalllegierung. Beispiele des Metalls umfassen Kupfer (Cu), Aluminium (Al), Wolfram (W), Titan (Ti), Molybdän (Mo), und Beispiele der Metalllegierung umfassen eine beliebige Art von Legierung mit zwei oder mehr von Cu, Al, W, Mo, oder Ti. Optional umfasst der Gaterunner 31, wie in den 5A und 5B in gestrichelten Linien dargestellt ist, wenigstens zwei Materialschichten 311, 312 verschiedener elektrisch leitender Materialien.
Bei einem Gaterunner 31 des anhand der 5A und 5B dargestellten Typs kann eine Variation des RPA entlang der Längsrichtung erreicht werden durch Variieren der Breite w des Gaterunners 31 entlang der Längsrichtung. Unterschiedliche Beispiele, wie die Breite w variiert werden kann, sind in den 6A bis 6E dargestellt. Die 6A bis 6E veranschaulichten jeweils eine Draufsicht des Gaterunners 31 und die Querschnittsfläche A des jeweiligen Gaterunners 31 entlang der Längsrichtung x.
Bei dem in 6A gezeigten Beispiel nimmt die Breite w in Richtung des Endes x1 des Gaterunners 31 kontinuierlich ab, so dass die Querschnittsfläche A kontinuierlich abnimmt. Der RPA dieses Gaterunners 31 entspricht dem in 4A dargestellten RPA.
Bei dem in 6B gezeigten Beispiel umfasst der Gaterunner 31 einen ersten Abschnitt 31₁ , in der die Breite x im Wesentlichen konstant ist, und einen zweiten Abschnitt 31₂ zwischen dem ersten Abschnitt 31₁ und dem Ende x1 des Gaterunners 31, wobei die Breite w in dem zweiten Abschnitt 31₂ kontinuierlich abnimmt. Damit ist die Querschnittsfläche A in dem ersten Abschnitt 31₁ im Wesentlichen konstant und nimmt im zweiten Abschnitt kontinuierlich in Richtung des Endes x1 ab. Der RPA dieses Gaterunners 31 entspricht dem in 4B dargestellten RPA.
Bei dem in 6C dargestellten Gaterunner 31 schließt sich ein zweiter Abschnitt 31₂ mit einer kontinuierlich abnehmenden Breite an den Anfang x0 des Gaterunners 31 an, während ein erster Abschnitt 31₁ mit einer im Wesentlichen kontanten Breite zwischen dem zweiten Abschnitt 31₂ und dem Ende x1 angeordnet ist. Der RPA dieses Gaterunners 31 entspricht dem in 4C dargestellten RPA.
Bei dem in 6D gezeigten Beispiel umfasst der Gaterunner 31 drei Abschnitte 31₁₁ , 31₁₂, 31₁₃, wobei die Breite in jedem dieser Abschnitte im Wesentlichen konstant ist, aber die Breite in Richtung des Endes x1 des Gaterunners 31 abnimmt. Der RPA des Runners 31 dieses Typs entspricht dem in 4D dargestellten RPA.
Bei dem in 6E gezeigten Beispiel umfasst der Gaterunner 31 zwei unterschiedliche Abschnitte 31₂₁, 31₂₂, in denen die Breite w unterschiedlich abnimmt. Der RPA des Gaterunners 31 dieses Typs entspricht dem in 4E dargestellten RPA.
Ein weiteres Beispiel eines Gaterunners 31, bei dem der RPA durch Variieren der Querschnittsfläche variiert werden kann, ist in den 7A bis 7B und 8A bis 8E dargestellt. 7A zeigt eine Draufsicht des Gaterunners 31 und 7B zeigt eine vertikale Schnittansicht in der zweiten vertikalen Schnittebene Z-Z. Bei diesem Beispiel ist die Breite w des Gaterunners 31 entlang der Längsrichtung x im Wesentlichen konstant. Bezug nehmend auf die 8A bis 8E wird eine Variation der Querschnittsfläche A erreicht durch Variieren der Höhe h entlang der Längsrichtung x. Die Höhe h kann auf dieselbe Weise wie die Breite bei dem in den 7A bis 7B dargestellten Beispielen variiert werden. Das heißt, (a) die Höhe h kann kontinuierlich abnehmen, wie in 8A dargestellt ist; (b) der Gaterunner 31 kann einen Abschnitt, in dem die Höhe im Wesentlichen konstant ist, und einen weiteren Abschnitt, in dem die Höhe kontinuierlich abnimmt, umfassen, wie in den 8B und 8C dargestellt ist; (c) die Höhe kann in einem oder in mehreren Schritten abnehmen, wie in 8D dargestellt ist; oder (d) der Gaterunner kann zwei oder mehr Abschnitte umfassen, in denen die Höhe kontinuierlich abnimmt, wie in 8E dargestellt ist. Der in den 7A bis 7B und 8A bis 8E dargestellte Gaterunner kann homogen aus einem elektrisch leitenden Material bestehen. Gemäß einem weiteren Beispiel kann der Gaterunner zwei oder mehr elektrisch leitende Schichten 311, 312 mit unterschiedlichen spezifischen Widerständen umfassen.
Die 9A bis 9C veranschaulichen einen Gaterunner 31 gemäß einem weiteren Beispiel. Genauer, 9A zeigt eine Draufsicht, 9B zeigt eine vertikale Schnittansicht in der zweiten Schnittebene Z-Z und 9C zeigt eine vertikale Schnittansicht in der ersten Schnittebene Y-Y des Gaterunners 31. Bei diesem Beispiel ist die Querschnittsfläche des Gaterunners 31 entlang der Längsrichtung x im Wesentlichen konstant. Eine Variation des RPA wird erreicht durch Realisieren des Gaterunners 31 derart, dass er zwei oder mehr Abschnitte 31_R1, 31_R2, 31_R3 mit unterschiedlichen spezifischen Widerständen umfasst. Lediglich zur Veranschaulichung umfasst der Gaterunner 31 bei dem in den 9A bis 9C gezeigten Beispiel drei Abschnitte mit unterschiedlichen spezifischen Widerständen. Gemäß einem Beispiel hat ein erster Abschnitt 31_R1 am Anfang x0 des Gaterunners 31 den niedrigsten spezifischen Widerstand, hat ein zweiter Abschnitt 31_R2, der sich an den ersten Abschnitt 31_R1 anschließt, einen zweiten spezifischen Widerstand, der höher ist als der erste spezifische Widerstand, und hat ein dritter Abschnitt 31_R3, der sich an den zweiten Abschnitt 31_R2 anschließt, einen dritten spezifischen Widerstand, der höher ist als der zweite spezifische Widerstand. Der RPA dieses Gaterunners 31 in der Längsrichtung entspricht dem in 4D dargestellten RPA. Es sei erwähnt, dass das Realisieren des Gaterunners 31 mit drei Abschnitten 31_R1-31_R3 mit unterschiedlichen spezifischen Widerständen nur ein Beispiel ist. Grundsätzlich kann der Gaterunner 31 wenigstens zwei Abschnitte mit unterschiedlichen spezifischen Widerständen umfassen.
Selbstverständlich kann das Variieren der Querschnittsfläche und des spezifischen Widerstands kombiniert warden. Das heißt, das Transistorbauelement kann so realisiert werden, dass in wenigstens einem Abschnitt des Gaterunners 31 der spezifische Widerstand zunimmt und die Querschnittsfläche abnimmt.
Die Transistorzellen 10 des Transistorbauelements können auf verschiedene Weise realisiert werden. Einige Beispiele sind nachfolgend erläutert.
10 veranschaulicht eine vertikale Schnittansicht des Halbleiterkörpers 100 in einer in 2 gezeigten Schnittebene A-A, wobei diese Schnittebene A-A durch mehrere Transistorzellen 10 des Transistorbauelements schneidet. Bezug nehmend auf 10 umfassen die Transistorzellen 10 jeweils ein Driftgebiet 11, ein Sourcegebiet 12 und ein Bodygebiet 13, das zwischen dem Driftgebiet 11 und dem Sourcegebiet 12 angeordnet ist. Die Gateelektrode 16 jeder Transistorzelle 10 ist von dem Bodygebiet 13 durch ein Gatedielektrikum dielektrisch isoliert. Jede Transistorzelle 10 umfasst außerdem ein Draingebiet 14, das vom Bodygebiet 13 durch das Driftgebiet 11 getrennt ist. Optional ist ein Feldstoppgebiet 15 zwischen dem Draingebiet 14 und dem Driftgebiet 11 angeordnet.
Die Transistorzellen 10 sind bei dem in 10 dargestellten Beispiel vertikale Transistorzellen. Das heißt, das Sourcegebiet 12 und das Draingebiet 14 jeder Transistorzelle 10 sind in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100 beabstandet zueinander angeordnet. Die „vertikale Richtung“ ist eine Richtung senkrecht zu einer ersten Oberfläche 101, wobei die „erste Oberfläche“ 101 die Oberfläche ist, auf der das Gatepad 32 (in 10 nicht dargestellt) und die Gaterunner 31 (in 10 ebenfalls nicht dargestellt) angeordnet sind.
Der Halbleiterkörper 100 umfasst ein monokristallines Halbleitermaterial mit weitem Bandabstand, so dass das Sourcegebiet 12, das Bodygebiet 13, das Driftgebiet 11, das Draingebiet 14 und das optionale Feststoppgebiet 15 jeder Transistorzelle 10 monokristalline Halbleitergebiete sind. Ein „Halbleitermaterial mit weitem Bandabstand“ ist ein Halbleitermaterial mit einem Bandabstand höher als 2,3 eV. Beispiele des Halbleitermaterials des Halbleiterkörpers 100 umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Siliziumkarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN), oder ähnliches. Die Gateelektrode 16 umfasst ein elektrisch leitendes Material, wie beispielsweise ein Metall oder ein polykristallines Halbleitermaterial, wie beispielsweise Polysilizium.
Der Halbleiterköper 100 kann vollständig aus einem Halbleitermaterial mit weitem Bandabstand bestehen. Alternativ bestehen nur solche Abschnitte des Halbleiterkörpers, die aktive Gebiete, wie beispielsweise die Source-, Body-, Drift- und Draingebiete umfassen, aus einem Halbleitermaterial mit weitem Bandabstand.
Bezug nehmend auf 10 können die Draingebiete 14 der Transistorzellen 10 als ein zusammenhängendes Halbleitergebiet gebildet sein und können die Driftgebiete 11 der Transistorzellen als ein zusammenhängendes Halbleitergebiet gebildet sein. Außerdem können die Gateelektroden 16 von zwei Transistorzellen 10 durch eine Elektrode gebildet sein und können die Bodygebiete 13 von zwei (anderen) Transistorzellen 10 durch ein Halbleitergebiet gebildet sein.
Das Draingebiet 14 bildet den Drainknoten D oder ist an den Drainknoten D des Transistorbauelements 1 angeschlossen. Außerdem sind die Sourcegebiete 12 der Transistorzellen 10 und die Bodygebiete 13 der Transistorzellen 10 an den Sourceknoten S des Transistorbauelements angeschlossen. Gemäß einem Beispiel bildet eine Sourceelektrode 31, die auf der ersten Oberfläche 101 gebildet ist, den Sourceknoten S oder ist an den Sourceknoten S des Transistorbauelements 1 angeschlossen, wobei die Sourceelektrode 21 elektrisch an die Source- und Bodygebiete 12, 13 der einzelnen Transistorzellen 10 angeschlossen ist. Bezug nehmend auf 10 kann eine Isolationsschicht 41 auf der ersten Oberfläche 101 gebildet sein, kann die Sourceelektrode 31 auf der Isolationsschicht 41 gebildet sein und können die Source- und Bodygebiete 12, 13 über elektrisch leitende Vias, die sich von der Sourceelektrode 21 durch die Isolationsschicht 41 zu den Source- und Bodygebieten 12, 13 erstrecken, an die Sourceelektrode 21 angeschlossen sein.
Die Gateelektroden 16 sind an den Gateknoten G angeschlossen. Dies ist in 10 nur schematisch dargestellt. Verbindungen zwischen den Gateelektroden 16 und dem Gateknoten G über die Gaterunner 31 sind in 10 nicht dargestellt und sind weiter unten erläutert.
Bei dem in 10 gezeigten Beispiel sind die Transistorzellen 10 Grabe-Transistorzellen. Das heißt, die Gateelektrode 16 jeder Transistorzelle 10 ist in einem Graben angeordnet, der sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper erstreckt. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Gemäß einem weiteren (nicht dargestellten) Beispiel sind die Transistorzellen planare Transistorzellen. In diesem Fall ist die Gateelektrode oberhalb der ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100 angeordnet.
Die Gate-Source-Kapazität jeder Transistorzelle 10 ist die Kapazität zwischen der Gatelektrode 16 und dem Sourcegebiet 12. Diese Kapazität ist unter anderem abhängig von einer Dicke und einem Material des Gatedielektrikums 17 und ist abhängig davon, wie stark die Gateelektrode 16 und das Sourcegebiet 12 überlappen. Die Schwellenspannung des Transistorbauelements 10 ist unter anderem abhängig von einer Dotierungskonzentration des Bodygebiets 13.
Wie oben ausgeführt, kann das Transistorbauelement 1 als n-leitendes Transistorbauelement oder als p-leitendes Transistorbauelement realisiert sein. Bei einem n-leitenden Transistorbauelement sind das Sourcegebiet 12 und das Driftgebiet 11 n-dotiert und das Bodygebiet 13 ist p-dotiert. Bei einem p-leitenden Transistorbauelement sind das Sourcegebiet 12 und das Driftgebiet 11 p-dotiert und das Bodygebiet 13 ist n-dotiert. Außerdem kann das Transistorbauelement als Anreicherungs-Bauelement oder als Verarmungs-Bauelement realisiert sein. Bei einem Anreicherungs-Bauelement grenzt das Bodygebiet 13 an das Gatedielektrikum 17 an (wie in 8B dargestellt ist). Bei einem Verarmungs-Bauelement umfasst die Transistorzelle 10 außerdem ein Kanalgebiet (nicht dargestellt) desselben Dotierungstyps wie des Sourcegebiets 12 und des Driftgebiets 11, wobei sich dieses Kanalgebiet entlang des Gatedielektrikums 17 zwischen dem Sourcegebiet 12 und dem Driftgebiet 11 erstreckt. Das Transistorbauelement kann als MOSFET realisiert sein, so dass das Draingebiet 14 denselben Dotierungstyp wie das Sourcegebiet 12 und das Driftgebiet 11 hat.
Bei dem in 10 gezeigten Beispiel teilen sich zwei Transistorzellen 10 eine Gateelektrode. Das heißt, die Gateelektrode dieser Transistorzellen werden durch eine Elektrode gebildet. Dementsprechend grenzen Sourcegebiete 12 von zwei Transistorzellen 10 an beiden Seiten an Seitenwänden des Grabens, der die Gateelektrode 16 aufnimmt, an. Dies ist jedoch nur ein Beispiel.
Gemäß einem weiteren Beispiel, das in 11 dargestellt ist, grenzt das Sourcegebiet 12 einer Transistorzelle 10 nur an einer Seite an den Gategraben an, und das Bodygebiet 13 einer benachbarten Transistorzelle grenzt an den Gategraben an einer gegenüberliegenden Seite an. Bei diesem Beispiel haben benachbarte Transistorzellen 10 getrennte Gateelektroden.
Optional umfassen bei dem in 11 dargestellten Transistorbauelement wenigstens einige der Transistorzellen 10 ein Sperrschichtgebiet 18 desselben Dotierungstyps wie des Bodygebiets 13. Dieses Sperrschichtgebiet 18 (a) ist unterhalb des Bodygebiets 13 angeordnet, (b) ist wenigstens teilweise unterhalb der Gateelektrode 16 und dem Gatedielektrikum 17 angeordnet, (c) kann an das Gatedielektrikum 17 angrenzen, (d) grenzt an das Driftgebiet 11 an, und (e) ist an die Sourceelektrode 21 angeschlossen. Das Sperrschichtgebiet 18 kann an die Sourceelektrode 21 über das Bodygebiet 13 oder über ein Verbindungsgebiet desselben Dotierungstyps wie das Bodygebiet 13 angeschlossen sein, wobei das Verbindungsgebiet 19 eine Dotierungskonzentration haben kann, die höher ist als eine Dotierungskonzentration des Bodygebiets 13. Wenn das Sperrschichtgebiet 18 an die Sourceelektrode 21 über das Verbindungsgebiet 19 angeschlossen ist, kann das Sperrschichtgebiet 18 in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100, welches eine Richtung senkrecht zu der ersten Oberfläche 101 ist, zu dem Bodygebiet 12 beabstandet sein.
Bei dem in 11 gezeigten Transistorbauelement bilden Sperrschichtgebiete 18 von benachbarten Transistorzellen und Abschnitte 11' des Driftgebiets 11, die zwischen Sperrschichtgebieten 18 von benachbarten Transistorzellen 10 angeordnet sind, einen JFET (Junction Field-Effect Transistor). Die Abschnitte 11' des Driftgebiets 11, die zwischen Sperrschichtgebieten 18 von benachbarten Transistorzellen 10 angeordnet sind, sind nachfolgend als Kanalabschnitte bezeichnet. Wenn das Transistorbauelement ausschaltet, so dass ein Potential in dem Driftgebiet 11 ansteigt, breiten sich Verarmungsgebiete in den Kanalgebieten 11' beginnend an pn-Übergängen zwischen den Sperrschichtgebieten 18 und den Kanalabschnitten 11' aus. Wenn die Spannung zwischen dem Drainknoten D und dem Sourceknoten S ansteigt, werden die Kanalabschnitte 11' vollständig an Ladungsträgern verarmt. Das elektrische Potential des Sperrschichtgebiets 18 und der verarmten Kanalabschnitte 11' ist nahe des elektrischen Potentials an dem Sourceknoten S. Auf diese Weise können hohe Spannungen über den Gatedielektrika 17 vermieden werden. (Im Aus-Zustand des Transistorbauelements ist das elektrische Potential der Gateelektroden 16 ebenfalls nahe des elektrischen Potentials an dem Sourceknoten S.)
Bei dem in 11 dargestellten Beispiel umfasst jede Transistorzelle ein Sperrschichtgebiet 18 und ein optionales Anschlussgebiet 19. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Gemäß einem weiteren (nicht dargestellten) Beispiel umfassen nur einige Transistorzellen 10, wie beispielsweise jede zweite oder jede Transistorzelle 10 ein Sperrschichtgebiet 18 und ein optionales Anschlussgebiet.
Das Realisieren des Transistorbauelements mit Sperrschichtgebieten 18 ist nicht auf eine Realisierung des in 11 gezeigten Typs beschränkt, bei dem jede Gateelektrode 16 exklusiv einer Transistorzelle 10 zugeordnet ist, so dass das Sourcegebiet 12 einer Transistorzelle 10 an dem Gategraben an einer Seite angrenzt und das Bodygebiet 13 einer benachbarten Transistorzelle an den Gategraben an einer gegenüber liegenden Seite angrenzt. Sperrschichtgebiete 18 können auch in einem Transistorbauelement des in 10 dargestellten Typs realisiert sein, wobei zur Veranschaulichung nur ein Sperrschichtgebiet 18 in 10 dargestellt ist. Bei diesem Beispiel ist jedes Sperrschichtgebiet 18 in der vertikalen Richtung unterhalb eines jeweiligen Bodygebiets 13 angeordnet und in einer horizontalen Richtung zwischen benachbarten Gategräben und beabstandet zu den jeweiligen Gatedielektrika 17 angeordnet. Optional ist das Sperrschichtgebiet 18 über ein Verbindungsgebiet 19 des anhand von 11 erläuterten Typs an die Sourceelektrode 21 angeschlossen. In diesem Fall kann das Sperrschichtgebiet 18 an das Bodygebiet 13 angrenzen oder kann in der vertikalen Richtung beabstandet zu dem Bodygebiet 13 angeordnet sein.
12A veranschaulicht eine vertikale Schnittansicht des Halbleiterkörpers 100 in einer weiteren Schnittebene B-B. Diese Schnittebene schneidet durch mehrere Transistorzellen und den Gaterunner 31, so dass 12A veranschaulicht, wie die Gateelektroden 16 der Transistorzellen an den Gaterunner 31 angeschlossen sein können. 12B zeigt eine horizontale Schnittansicht des Halbleiterkörpers 100 in einer in 12A dargestellten Schnittebene C-C. Bezug nehmend auf 12A ist der Gaterunner 31 auf der Isolationsschicht 41 angeordnet und ist über ein elektrisch leitendes Via 32, das sich von dem Gaterunner 31 durch die Isolationsschicht 41 bis an die Gateelektroden 16 erstreckt, an die Gateelektroden 16 angeschlossen. Bezug nehmend auf 12B können die Sourcegebiete 12 unterhalb des Gaterunners 31 weggelassen werden. Damit sind die Transistorzellen 10 beabstandet zu den Positionen, an denen der Gaterunner 31 an die Gateelektroden 16 angeschlossen ist, wobei sich die Gateelektroden 16 über die Transistorzellen 10 bis an das Gebiet unterhalb des Gaterunners 31 erstrecken.
Bei diesem Beispiel können die Gateelektroden 16 als lang gestreckte Gateelektroden realisiert sein, wobei eine Längsrichtung dieser langgestreckten Gateelektroden 16 senkrecht zu den Längsrichtungen der Gaterunner 31 sein kann. Bei diesem Beispiel können die Gateelektroden von mehreren Transistorzellen 10, die entlang der Längsrichtungen der Gateelektroden 16 beabstandet zueinander angeordnet sind, durch eine langgestreckte Elektrode gebildet sein. Auf diese Weise kann eine Grabenelektrode, die die Gateelektroden von mehreren Transistorzellen 10 bildet, an mehrere Gaterunner 31 angeschlossen sein. Die Grabenelektroden, die die Gateelektroden 16 bilden, haben einen elektrischen Widerstand. Damit kann angenommen werden, dass das Einschalten oder Ausschalten einer bestimmten Transistorzelle 10 durch denjenigen der Gaterunner 31 bestimmt wird, der am nächsten zu der jeweiligen Transistorzelle 10 angeordnet ist. Das heißt, eine Transistorzellenanordnung mit einer Gateelektrode 16, einem Bodygebiet 13 und einem Sourcegebiet 12, das zwischen zwei Gaterunner-Vias 32 angeordnet ist, kann als zwei Transistorzellen angesehen werden, eine erste Transistorzelle, die solche Abschnitte der Anordnung umfasst, die näher an einen ersten der Gaterunner-Vias 32 angeordnet ist, und eine zweite Transistorzelle, die solche Abschnitte der Anordnung umfasst, die näher an einem zweiten der Gaterunner-Vias 32 angeordnet sind. Der Gaterunner 31, der an dem ersten Gaterunner-Via angeschlossen ist, bestimmt das Einschalten oder Ausschalten der ersten Transistorzelle und der Gaterunner 31, der an den zweiten Gaterunner-Via angeschlossen ist, bestimmt das Einschalten oder Ausschalten der zweiten Transistorzelle.
Die Sourceelektrode 21, die in der in 2 gezeigten Draufsicht nicht dargestellt ist, kann auf verschiedene Weise realisiert werden. Gemäß einem Beispiel sind die Gaterunner 31 in einer ersten Metallisierungsschicht (Metallisierungsebene) realisiert und die Sourceelektrode 21 ist in einer zweiten Metallisierungsschicht (Metallisierungsebene) oberhalb der Gaterunner 31 realisiert, wobei die Sourceelektrode 21 elektrisch von den Gaterunnern 31 isoliert ist. In diesem Fall kann die Sourceelektrode 21 als eine Elektrode realisiert sein, die die Gaterunner 31 überdeckt, wobei diese eine Elektrode an den Sourceknoten S angeschlossen ist oder den Sourceknoten S des Transistorbauelements bildet.
Gemäß einem weiteren Beispiel sind die Gaterunner 31 in einer ersten Metallisierungsschicht (Metallisierungsebene) realisiert und umfasst die Sourceelektrode 21 mehrere Elektrodenabschnitte, die in der ersten Metallisierungsschicht realisiert sind und die zu den Gaterunnern 21 beabstandet sind. Diese Elektrodenabschnitte sind über Bonddrähte, Clips, oder ähnliches an den Sourceknoten S angeschlossen.
13 zeigt eine Draufsicht eines Transistorbauelements mit einem sanften Schaltverhalten gemäß einem weiteren Beispiel. Dieses Transistorbauelement basiert auf dem in 2 gezeigten Transistorbauelement und unterscheidet sich von dem in 2 gezeigten Transistorbauelement darin, dass ein Winkel zwischen Längsrichtungen der Gaterunner 31 und Längsrichtungen der Gateelektroden 16 sich von 90° unterscheidet und beispielsweise zwischen 30° und 60° ist. Einer oder mehrere der Gaterunner 31 können gemäß einem der zuvor erläuterten Beispiele realisiert sein, das heißt, derart, dass er wenigstens einen Abschnitt umfasst, in dem der flächenbezogene spezifische Widerstand entlang der Längsrichtung zunimmt. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Gemäß einem weiteren Beispiel kann der flächenbezogene spezifische Widerstand des Gaterunners entlang der Längsrichtung im Wesentlichen konstant sein. Bei diesem Beispiel umfasst das Transistorbauelement Gateelektrodenabschnitte, die zu einem Gaterunner 31 weiter beabstandet sind als die meisten anderen Gateelektrodenabschnitte, so dass Transistorzellen die diesen Gateelektrodenabschnitten zugeordnet sind, ihren jeweiligen Schaltzustand langsamer ändern als Transistorzellen, die den anderen Gateelektrodenabschnitten zugeordnet sind. Damit kann ein sanftes Schaltverhalten erreicht werden.
Wie oben ausgeführt, kann ein sanftes Schaltverhalten erreicht werden, wenn Transistorzellen 10 zu unterschiedlichen Zeitpunkten ein- oder ausschalten, wobei die Zeitpunkte, zu denen die Transistorzellen ein- oder ausschalten, durch geeignetes Einstellen eines Widerstands zwischen Gateelektroden 16 der Transistorzellen 10 und dem Gateknoten G eingestellt werden können. Wie oben ausgeführt, bestehen die langgestreckten Gateelektroden 16 aus einem elektrisch leitenden Material, wie beispielsweise einem dotierten Polysilizium oder einem Metall und haben einen elektrischen Widerstand. Wie oben ausgeführt, schaltet eine Transistorzelle abhängig von einer Spannung zwischen der Gateelektrode 16 und dem Sourcegebiet 12 ein oder aus, wobei im Ein-Zustand der Transistorzelle 10 ein leitender Kanal in dem Bodygebiet 13 entlang des Gatedielektrikums 17 vorhanden ist und im Aus-Zustand der Transistorzelle 10 der leitende Kanal unterbrochen ist. Aufgrund des Widerstands der Gateelektrode 16 bildet sich der leitende Kanal nicht (oder wird nicht unterbrochen) zum selben Zeitpunkt an jeder Position entlang der Gateelektrode 16 einer Transistorzelle, wenn sich die durch die Transistorzelle 10 erhaltene Gate-Source-Spannung ändert. Stattdessen, wenn sich das elektrische Potential des elektrisch leitenden Vias 32, der einen Gaterunner 31 an eine jeweilige Transistorzelle 10 anschließt, ändert, ändert sich der Betriebszustand (Ein-Zustand oder Aus-Zustand) der Transistorzelle 10 zunächst an Positionen nahe des Vias 32, von wo sich die Änderung des Betriebszustands zu Positionen, die weiter von dem Via 32 entfernt sind, „ausbreitet“. Auf diese Weise ist in jeder der Transistorzellen 10 ebenfalls eine Schaltverzögerung vorhanden.
Gemäß einem Beispiel wird ein sanftes Schaltverhalten erreicht durch Realisieren der Gateelektroden 16 verschiedener Transistorzellen 10 mit unterschiedlichen spezifischen Widerständen. Dies kann erreicht werden durch Realisieren der Gateelektroden 16 einiger Transistorzellen 10 mit einer größeren Querschnittsfläche als die Gateelektroden von anderen Transistorzellen 10. Ein Beispiel eines Transistorbauelements dieses Typs ist in 14 dargestellt, wobei 14 eine vertikale Schnittansicht eines Transistorbauelements 1 zeigt. Dieses Transistorbauelement basiert auf dem in 10 gezeigten Transistorbauelement und unterscheidet sich von dem in 10 gezeigten Transistorbauelement darin, dass es wenigstens eine Transistorzelle 10₁ aufweist, die eine Gateelektrode 16₁ mit einer größeren Querschnittsfläche als die Gateelektroden 16 anderer Transistorzellen aufweist.
Einer oder mehrere der Gaterunner 31 (nicht dargestellt) des in 14 gezeigten Transistorbauelements können gemäß einem der oben erläuterten Beispiele realisiert sein, das heißt, derart, dass er wenigstens einen Abschnitt umfasst, in dem der flächenbezogene spezifische Widerstand entlang der Längsrichtung zunimmt. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Gemäß einem weiteren Beispiel ist der flächenbezogene spezifische Widerstand der Gaterunner entlang der Längsrichtung im Wesentlichen konstant.
Eine weitere Möglichkeit, ein sanftes Schaltverhalten zu erreichen, ist in 15 dargestellt, die schematisch eine Draufsicht eines Abschnitts eines Transistorbauelements zeigt. Genauer, 15 zeigt eine Draufsicht mehrerer Gateelektroden 16 und mehrerer Gaterunnern 31, die die Gateelektroden 16 kreuzen. Die schwarzen Punkte in 15 repräsentieren Verbindungen zwischen den Gaterunnern 31 und den Gateelektroden 16. Eine Gateelektrode 16 kann an jeder Position an einen Gaterunner 31 angeschlossen sein, an denen der Gaterunner 31 die Gateelektrode kreuzt. Bei dem in 15 gezeigten Beispiel sind einige Verbindungen weggelassen, so dass einige der Transistorzellen nicht an den nächstliegenden Gaterunner angeschlossen sind, aber über die Grabenelektrode, die die Gateelektroden 16 bildet, an einen Gaterunner angeschlossen sind, der weiter als der nächstliegende Gaterunner entfernt ist. Auf diese Weise haben einige der Transistorzellen eine höhere Schaltverzögerung als andere der Transistorzellen, so dass ein sanftes Schaltverhalten erreicht wird.
Einer oder mehrere der Gaterunner 31 (nicht gezeigt) des in 15 gezeigten Transistorbauelements können gemäß einem der zuvor erläuterten Beispiele realisiert sein, das heißt, derart, dass er wenigstens einen Abschnitt umfasst, in dem der flächenbezogene spezifische Widerstand entlang der Längsrichtung zu nimmt. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Gemäß einem weiteren Beispiel ist der flächenbezogene spezifische Widerstand der Gaterunner entlang der Längsrichtung im Wesentlichen konstant.
Obwohl die zuvor erläuterten Beispiele MOSFETs betreffen, ist dies nur ein Beispiel. Die zuvor erläuterten Konzepte zum Erreichen eines sanften Schaltverhaltens können auf eine beliebige andere Art von Transistorbauelement ebenso angewendet werden, wie beispielsweise einen GaN-basierten HEMT (High Electron-Mobility Transistor) oder einen JFET. Ein JFET unterscheidet sich von einem MOSFET dadurch, dass er dotierte Basisgebiete eines Dotierungstyps komplementär zu dem Dotierungstyp des Driftgebiets anstelle von Gateelektroden 16 und Gatedielektrika 17 und den Bodygebieten 13 umfasst. Die Basisgebiete grenzen an das Driftgebiet an und sind an die Gaterunner in derselben Weise wie die zuvor erläuterten Gateelektroden angeschlossen.

Claims

Transistorbauelement, das aufweist: mehrere Transistorzellen (10), die jeweils eine Gateelektrode (16) umfassen und die jeweils wenigstens teilweise in einem Halbleiterkörper (100) integriert sind, der ein Halbleitermaterial mit weitem Bandabstand umfasst; ein Gatepad (32), das auf dem Halbleiterkörper (100) angeordnet ist; und mehrere Gaterunner (31), die jeweils auf dem Halbleiterkörper (100) angeordnet sind und die jeweils an die Gateelektroden (16) wenigstens einiger der mehreren Transistorzellen (10) angeschlossen sind, wobei die Gaterunner (31) jeweils eine Längsrichtung haben, und wobei wenigstens einer der Gaterunner (31) wenigstens einen Abschnitt umfasst, in dem ein flächenbezogener spezifischer Widerstand in der Längsrichtung mit zunehmendem Abstand zu dem Gatepad (32) entlang des Gaterunners (31) zunimmt.
Transistorbauelement nach Anspruch 1, bei dem die Gaterunner (31) jeweils wenigstens einen Abschnitt umfassen, in dem ein flächenbezogener spezifischer Widerstand in der Längsrichtung mit zunehmendem Abstand zu dem Gatepad (32) entlang des Gaterunners (31) zu nimmt.
Transistorbauelement nach Anspruch 2, bei dem die Gaterunner (31) im Wesentlichen parallel zueinander sind.
Transistorbauelement nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, bei dem wenigstens ein Abschnitt, in dem der flächenbezogene spezifische Widerstand zunimmt, so realisiert ist, dass die Querschnittsfläche in der Längsrichtung abnimmt.
Transistorbauelement nach Anspruch 4, bei dem der wenigstens eine Abschnitt eine im Wesentlichen konstante Höhe (h) und eine abnehmende Breite (w) aufweist.
Transistorbauelement nach Anspruch 4, bei dem der wenigstens eine Abschnitt eine im Wesentlichen konstante Breite (w) und eine abnehmende Höhe (h) aufweist.
Transistorbauelement nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der wenigstens eine Abschnitt, in dem der flächenbezogene spezifische Widerstand zunimmt, so realisiert ist, dass der spezifische Widerstand in der Längsrichtung zunimmt.
Transistorbauelement nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein Verhältnis zwischen einem maximalen flächenbezogenen spezifischen Widerstand und einem minimalen flächenbezogenen spezifischen Widerstand des wenigstens einen Gaterunners wenigstens 2 ist.
Transistorbauelement nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Transistorbauelement wenigstens einen Verbindungsrunner (33) umfasst, der zwischen das Gatepad (32) und wenigstens einige der mehreren Gaterunner geschaltet ist.
Transistorbauelement nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, bei dem die mehreren Transistorzellen (10) jeweils aufweisen: ein Driftgebiet (11), ein Sourcegebiet (12) und ein Bodygebiet (13), das zwischen dem Sourcegebiet (12) und dem Driftgebiet (11) angeordnet ist und das durch ein Gatedielektrikum dielektrisch gegenüber der Gateelektrode (16) isoliert ist.
Transistorbauelement nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Gateelektroden (16) einiger der mehreren Transistorzellen (10) durch eine jeweilige von mehreren langgetreckten Grabenelektroden gebildet ist.
Transistorbauelement nach Anspruch 11, bei dem die Grabenelektroden im Wesentlichen senkrecht zu den Gaterunnern (31) sind.
Transistorbauelement nach Anspruch 11, bei dem Winkel zwischen den Grabenelektroden und den Gaterunnern (31) zwischen 30° und 60° betragen.
Transistorbauelement nach einem beliebigen der Ansprüche 11 bis 13, bei dem jeder der Gaterunner (31) mehrere Grabenelektroden kreuzt, und bei dem jeder der Gaterunner (31) an jede der Grabenelektroden, die er kreuzt, angeschlossen ist.
Transistorbauelement nach einem beliebigen der Ansprüche 11 bis 13, bei dem jeder der Gaterunner (31) mehrere Grabenelektroden kreuzt, und bei dem jeder der Gaterunner (31) an weniger der Grabenelektroden als er kreuzt, angeschlossen ist.
Transistorbauelement nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Halbleitermaterial mit weitem Bandabstand SiC ist.