DE102020104861A1 - Schaltelement und verfahren zum herstellen desselben - Google Patents

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Tatsuji Nagaoka
Hiroyuki NISHINAKA
Masahiro Yoshimoto
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Denso Corp
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Kyoto Institute of Technology NUC
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Abstract

Ein Schaltelement kann umfassen: Ein Galliumoxidsubstrat bestehend aus einem Galliumoxidkristall; und eine Vielzahl von Gate-Elektroden, die dem Galliumoxidsubstrat über eine Gate-Isolationsschicht zugewandt ist. Eine obere Oberfläche des Galliumoxidsubstrats ist parallel zu einer (010)-Ebene des Galliumoxidkristalls, und in einer Draufsicht der oberen Oberfläche des Galliumoxidsubstrats schneidet eine Longitudinalrichtung von jeder Gate-Elektrode eine Richtung, entlang der sich eine (100)-Ebene des Galliumoxidkristalls erstreckt.

Description

  • VERWEIS AUF VERWANDTE ANWENDUNGEN
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung mit der Nummer 2019-033990 , die am 27. Februar 2019 eingereicht wurde und deren Inhalt durch die Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen ist.
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die hierin offenbarte Technik betrifft ein Schaltelement und ein Verfahren zum Herstellen desselben.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Die offengelegte japanische Patentanmeldung mit der Nummer 2016-164906 beschreibt ein Schaltelement, das ein Galliumoxidsubstrat umfasst. Dieses Schaltelement umfasst eine Vielzahl von Gate-Elektroden, die dem Galliumoxidsubstrat über eine Gate-Isolationsschicht zugewandt sind.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein Galliumoxidkristall weist eine thermische Leitfähigkeit auf, die in einer [010]-Richtung höher als in anderen Richtungen ist. In einem Schaltelement, das eine (010)-Ebene eines Galliumoxidsubstrats als eine obere Oberfläche aufweist, wird daher eine effiziente Wärmedissipation von der oberen Oberfläche ermöglicht. Andererseits kann in dem Galliumoxidkristall leicht eine Spaltung in der (100)-Ebene auftreten. Falls die obere Oberfläche des Galliumoxidsubstrats aus der (010)-Ebene gemacht wird, gibt es daher dort ein Problem, wo Risse, bzw. Spalten in dem Galliumoxidsubstrat entlang der (100)-Ebene (das heißt, einer ebenen Oberfläche senkrecht zu der oberen Oberfläche) wahrscheinlich auftreten. Die vorliegende Spezifikation schlägt eine Technologie zum Unterdrücken von Spalten in einem Schaltelement vor, das ein Galliumoxidsubstrat umfasst, von dem eine obere Oberfläche aus einer (010)-Ebene besteht.
  • Ein hierin offenbartes Schaltelement kann umfassen: Ein Galliumoxidsubstrat bestehend aus einem Galliumoxidkristall; und eine Vielzahl von Gate-Elektroden, die dem Galliumoxidsubstrat über eine Gate-Isolationsschicht zugewandt ist, wobei eine obere Oberfläche des Galliumoxidsubstrats parallel zu einer (010)-Ebene des Galliumoxidkristalls ist, und in einer Draufsicht der oberen Oberfläche des Galliumoxidsubstrats eine Longitudinalrichtung von jeder Gate-Elektrode eine Richtung schneidet, bzw. kreuzt, entlang der sich eine (100)-Ebene des Galliumoxidkristalls erstreckt.
  • Da dieses Schaltelement seine obere Oberfläche aus dem Galliumoxidsubstrat aufweist, das parallel zu der (010)-Ebene ist, kann das Schaltelement Wärme effizient von der oberen Oberfläche ableiten, bzw. wegdissipieren. Darüber hinaus schneidet in diesem Schaltelement, in der Draufsicht der oberen Oberfläche des Galliumoxidsubstrats, die longitudinale Richtung von jeder Gate-Elektrode die Richtung, entlang der sich die (100)-Ebene erstreckt (das heißt, eine Richtung, entlang der Spalten wahrscheinlich auftreten). Jede Gate-Elektrode erstreckt sich, um die Richtung zu schneiden, entlang der sich die (100)-Ebene erstreckt, und das Auftreten von Spalten entlang der (100)-Ebene wird somit vermieden.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt ein Diagramm, das eine Einheitszelle eines Galliumoxidkristalls zeigt;
    • 2 zeigt eine Draufsicht eines Schaltelements in einem ersten Ausführungsbeispiel;
    • 3 zeigt eine Schnittansicht, die entlang einer Linie III-III aus 2 aufgenommen ist;
    • 4 zeigt eine Draufsicht eines Schaltelements in einem zweiten Ausführungsbeispiel;
    • 5 zeigt eine Schnittansicht, die entlang einer Linie V-V aus 4 aufgenommen ist;
    • 6 zeigt eine Draufsicht eines Schaltelements in einem dritten Ausführungsbeispiel; und
    • 7 zeigt eine Schnittansicht, die entlang einer Linie VII-VII aus 6 (eine Schnittansicht des Schaltelements in einem verpackten Zustand) aufgenommen ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Zunächst ist ein Galliumoxidkristall beschrieben. 1 zeigt eine Einheitszelle des Galliumoxidkristalls. Jeder von einem Winkel γ zwischen einer kristallographischen Achse a und einer kristallographischen Achse b, und einem Winkel α zwischen der kristallographischen Achse b und einer kristallographischen Achse c beträgt jeweils 90 Grad. Ein Winkel β zwischen der kristallographischen Achse c und der kristallographischen Achse a beträgt 104 Grad. In anderen Worten ist der Galliumoxidkristall monoklin. Die kristallographische Achse a weist eine Länge von etwa 1,22 nm auf, die kristallographische Achse b weist eine Länge von etwa 0,30 nm auf, und die kristallographische Achse c weist eine Länge von etwa 0,58 nm auf. Der Galliumoxidkristall neigt dazu entlang einer (100)-Ebene, die parallel zu der kristallographischen Achse b und der kristallographischen Achse c verläuft, zu spalten. Der Galliumoxidkristall tendiert daher Spalten bzw. Risse entlang der (100)-Ebene aufzuweisen. Darüber hinaus weist der Galliumoxidkristall eine höhere Wärmeleitfähigkeit in einer Richtung parallel zu der kristallographischen Achse b als in anderen Richtungen auf.
  • (Erstes Ausführungsbeispiel)
  • 2 und 3 zeigen ein Schaltelement 10 in einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Schaltelement 10 umfasst ein Galliumoxidsubstrat 12. Das Galliumoxidsubstrat 12 weist eine rechteckige Plattenform auf und umfasst eine obere Oberfläche 12a, eine untere Oberfläche 12b, und vier Seitenoberflächen 12c bis 12f. Die obere Oberfläche 12a besteht aus einer (010)-Ebene. Die untere Oberfläche 12b besteht aus einer (0-10)-Ebene. In anderen Worten sind die obere Oberfläche 12a und die untere Oberfläche 12b parallel zu der (010)-Ebene. Die Seitenoberfläche 12c besteht aus der (100)-Ebene. Die Seitenoberfläche 12e besteht aus einer (-100)-Ebene. In anderen Worten sind die Seitenoberfläche 12c und die Seitenoberfläche 12e parallel zu der (100)-Ebene. Die Seitenoberfläche 12d ist senkrecht zu der oberen Oberfläche 12a, der unteren Oberfläche 12b, der Seitenoberfläche 12c, und der Seitenoberfläche 12e. Die Seitenoberfläche 12f ist senkrecht zu der oberen Oberfläche 12a, der unteren Oberfläche 12b, der Seitenoberfläche 12c, und der Seitenoberfläche 12e.
  • Wie in 3 gezeigt, sind eine Vielzahl von Gate-Isolationsschichten 20, eine Vielzahl von Gate-Elektroden 22, und eine Vielzahl von Source-Elektroden 24 über der oberen Oberfläche 12a des Galliumoxidsubstrats 12 bereitgestellt. 2 lässt die Veranschaulichung der Source-Elektroden 24 aus.
  • Wie in 3 gezeigt, bedeckt jede Gate-Isolationsschicht 20 einen Abschnitt der oberen Oberfläche 12a des Galliumoxidsubstrats 12. Jede Gate-Elektrode 22 bedeckt eine obere Oberfläche einer zugehörigen der Gate-Isolationsschichten 20. Jede Gate-Elektrode 22 ist durch die zugehörige Gate-Isolationsschicht 20 von dem Galliumoxidsubstrat 12 isoliert. In anderen Worten ist jede Gate-Elektrode 22 dem Galliumoxidsubstrat 12 über die zugehörige Gate-Isolationsschicht 20 zugewandt. Wie in 2 gezeigt, in einer Draufsicht der oberen Oberfläche 12a des Galliumoxidsubstrats 12, erstreckt sich jede Gate-Elektrode 22 linear entlang einer Richtung senkrecht zu der Seitenoberfläche 12c. In anderen Worten, in der Draufsicht der oberen Oberfläche 12a des Galliumoxidsubstrats 12, schneidet eine Longitudinalrichtung von jeder Gate-Elektrode 22 eine Richtung, entlang der sich die (100)-Ebene erstreckt (das heißt, einer Richtung der kristallographischen Achse c). Die Vielzahl von Gate-Elektroden 22 sind in Intervallen angeordnet, in einer Richtung entlang der sich die Seitenoberfläche 12c erstreckt. Eine Gate-Verkabelung 40 und ein Gate-Dämpfungsglied 42 sind über der oberen Oberfläche 12a des Galliumoxidsubstrats 12 bereitgestellt. Die Gate-Verkabelung 40 und das Gate-Dämpfungsglied 42 sind durch eine nicht gezeigte Zwischenebenen-Isolationsschicht von dem Galliumoxidsubstrat 12 isoliert. Die Gate-Verkabelung 40 ist an ein Ende von jeder Gate-Elektrode 22 in ihrer Longitudinalrichtung angeschlossen. Die Gate-Verkabelung 40 verbindet jede Gate-Elektrode 22 mit dem Gate-Dämpfungsglied 42.
  • Wie in 3 gezeigt, ist jede Source-Elektrode 24 zwischen zugehörigen benachbarten Gate-Elektroden 22 platziert. Jede Source-Elektrode 24 ist in Kontakt mit der oberen Oberfläche 12a des Galliumoxidsubstrats 12.
  • Eine Drain-Elektrode 26 ist bereitgestellt, um in Kontakt mit der unteren Oberfläche 12b des Galliumoxidsubstrats 12 zu sein. Die Drain-Elektrode 26 bedeckt eine Gesamtheit der unteren Oberfläche 12b des Galliumoxidsubstrats 12.
  • Eine Vielzahl von Source-Gebieten 30, eine Vielzahl von Körperkontaktgebieten 32, eine Vielzahl von Körpergebieten 34, ein Drift-Gebiet 36, und ein Drain-Gebiet 38 sind im Inneren des Galliumoxidsubstrats 12 angeordnet.
  • Jedes Source-Gebiet 30, das von einem Typ n, bzw. n-leitend ist, ist an einer Position platziert, die in Kontakt mit einer entsprechenden der Source-Elektroden 24 und einer entsprechenden der Gate-Isolationsschichten 20 ist. Jedes Source-Gebiet 30 ist in ohmschem Kontakt mit der entsprechenden Source-Elektrode 24.
  • Jedes Körperkontaktgebiet 32, das von einem Typ p, bzw. p-leitend ist, ist unter einer entsprechenden der Source-Elektroden 24 platziert. Jedes Körperkontaktgebiet 32 ist in ohmschem Kontakt mit der entsprechenden Source-Elektrode 24.
  • Jedes Körpergebiet 34 ist um ein entsprechendes der Source-Gebiete 30 und ein entsprechendes der Körperkontaktgebiete 32 platziert. Jedes Körpergebiet 34 ist von einem Typ p, bzw. p-leitend und weist eine geringere p-Störstellenkonzentration als die Körperkontaktgebiete 32 auf. Jedes Körpergebiet 34 ist in Kontakt mit den entsprechenden einen der Gate-Isolationsschichten 20 neben den entsprechenden Source-Gebieten 30.
  • Das Drift-Gebiet ist von einem Typ n, bzw. n-leitend, und ist lateral zu und unter den Körpergebieten 34 platziert. Das Drift-Gebiet 36 ist durch die Körpergebiete 34 von den Source-Gebieten 30 separiert.
  • Das Drain-Gebiet 38 ist von einem Typ n, bzw. n-leitend und weist eine höhere n-Störstellenkonzentration als das Drift-Gebiet 36 auf. Das Drain-Gebiet 38 ist unter dem Drift-Gebiet 36 platziert. Das Drain-Gebiet 38 ist in ohmschem Kontakt mit der Drain-Elektrode 26.
  • Die Gate-Isolationsschichten 20, die Gate-Elektroden 22, die Source-Elektroden 24, die Drain-Elektrode 26, die Source-Gebiete 30, die Körperkontaktgebiete 32, die Körpergebiete 34, das Drift-Gebiet 36, und das Drain-Gebiet 38 bilden n-Kanal-Typ Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs).
  • Wenn das Schaltelement 10 (das heißt, der (die) MOSFET(s)) in Betrieb sind, erzeugt das Galliumoxidsubstrat 12 Wärme. Wie oben erwähnt, weist der Galliumoxidkristall eine thermische Leitfähigkeit auf, die in der Richtung parallel zu der kristallographischen Achse b hoch ist. Darüber hinaus, wie oben erwähnt, besteht sowohl die obere Oberfläche 12a als auch die untere Oberfläche 12b des Galliumoxidsubstrats 12 aus einer Ebene, die parallel zu der (010)-Ebene (das heißt, einer Ebene senkrecht zu der kristallographischen Achse b) ist. Die in dem Galliumoxidsubstrat 12 erzeugte Wärme wird daher einfach an die Source-Elektroden 24 und die Drain-Elektrode 26 weitergeleitet. Dadurch kann ein Temperaturanstieg in dem Schaltelement 10 unterdrückt werden.
  • Wie oben beschrieben ist es wahrscheinlich, dass der Galliumoxidkristall Spalten bzw. Risse entlang der (100)-Ebene aufweist. Wie beispielsweise in einer durchgezogene Linie 50 in 2 können Spalten, bzw. Risse von der Seitenoberfläche 12d oder der Seitenoberfläche 12f entlang der (100)-Ebene häufig auftreten. In dem Schaltelement 10 des ersten Ausführungsbeispiels jedoch, in 2 gezeigt, erstreckt sich die Vielzahl von Gate-Elektroden 22 entlang einer Richtung, die die Richtung schneidet, entlang der sich die (100)-Ebene erstreckt. Das Galliumoxidsubstrat 12 ist durch die Gate-Elektroden 22 verstärkt, wodurch ein Auftreten von Spalten, bzw. Rissen in dem Galliumoxidsubstrat 12 entlang der (100)-Ebene vermieden wird. Daher wird in dem Schaltelement 10 in dem ersten Ausführungsbeispiel ein Auftreten von Spalten, bzw. Rissen in dem Galliumoxidsubstrat 12 unterdrückt, während das Schaltelement 10 hergestellt oder verwendet wird.
  • Darüber hinaus, wie in 2 gezeigt, in der Draufsicht der oberen Oberfläche 12a des Galliumoxidsubstrats 12, sind die Seitenoberflächen 12d, 12f kürzer als die Seitenoberflächen 12c, 12e. In anderen Worten ist eine Länge L1 des Galliumoxidsubstrats 12 in einer Richtung senkrecht zu der (100)-Ebene kürzer als ein Länge L2 des Galliumoxidsubstrats 12 in der Richtung entlang der (100)-Ebene. Dadurch, dass die Länge L1 des Galliumoxidsubstrats 12 in der Richtung senkrecht zu der (100)-Ebene kurz ist und dass die Länge L2 des Galliumoxidsubstrats 12 in der Richtung entlang der (100)-Ebene lang ist, kann als solches das Auftreten von Spalten, bzw. Rissen in dem Galliumoxidsubstrat 12 entlang der (100)-Ebene weiter unterdrückt werden.
  • (Zweites Ausführungsbeispiel)
  • 4 und 5 zeigen ein Schaltelement 110 in einem zweiten Ausführungsbeispiel. Das Schaltelement 110 umfasst ein Galliumoxidsubstrat 112. Das Galliumoxidsubstrat 112 weist eine parallelogrammatische Plattenform auf. Das Galliumoxidsubstrat 12 umfasst eine obere Oberfläche 112a, eine untere Oberfläche 112b, eine Seitenoberfläche 112c, eine Seitenoberfläche 112d, eine Seitenoberfläche 112e, und eine Seitenoberfläche 112f. Die obere Oberfläche 112a besteht aus der (010)-Ebene. Die untere Oberfläche 112b besteht aus der (0-10)-Ebene. Die Seitenoberfläche 112c besteht aus der (100)-Ebene. Die Seitenoberfläche 112e besteht aus der (-100)-Ebene. Die Seitenoberfläche 112d besteht aus einer (001)-Ebene. Die Seitenoberfläche 112f besteht aus einer (00-1)-Ebene. In anderen Worten sind die Seitenoberfläche 112d und die Seitenoberfläche 112f parallel zu der (001)-Ebene.
  • Wie in 5 gezeigt, ist eine Vielzahl von Gräben 118 in der oberen Oberfläche 112a des Galliumoxidsubstrats 112 angeordnet. Eine Gate-Isolationsschicht 120 und eine Gate-Elektrode 122 sind in jedem Graben 118 angeordnet. Darüber hinaus ist eine Vielzahl von Source-Elektroden 124 auf der oberen Oberfläche 112a des Galliumoxidsubstrats 112 angeordnet. 4 lässt eine Veranschaulichung der Source-Elektroden 124 aus.
  • Wie in 4 gezeigt, erstreckt sich jeder Graben 118, in der oberen Oberfläche 112a des Galliumoxidsubstrats 112, linear entlang einer Richtung, entlang der sich die (001)-Ebene erstreckt. Die Vielzahl von Gräben 118 sind in Intervallen angeordnet, in einer Richtung senkrecht zu der (001)-Ebene. Wie in 5 gezeigt, bedeckt jede Gate-Isolationsschicht 120 eine Oberfläche eines entsprechenden einen der Gräben 118. Jede Gate-Elektrode 122 ist in einem entsprechenden der Gräben 118 platziert, und bedeckt eine Oberfläche einer entsprechenden der Gate-Isolationsschichten 120. Jede Gate-Elektrode 122 ist durch die entsprechende Gate-Isolationsschicht 120 von dem Galliumoxidsubstrat 112 isoliert. In anderen Worten ist jede Gate-Elektrode 122 dem Galliumoxidsubstrat 112 über die entsprechende Gate-Isolationsschicht 120 zugewandt. Jede Gate-Elektrode 122 erstreckt sich entlang des entsprechenden Grabens 118. In anderen Worten, wie in 4 gezeigt, in einer Draufsicht der oberen Oberfläche 112a des Galliumoxidsubstrats 112, erstreckt sich jede Gate-Elektrode 122 linear entlang der Richtung, entlang der sich die (001)-Ebene erstreckt. In anderen Worten, in der Draufsicht der oberen Oberfläche 112a des Galliumoxidsubstrats 112, schneidet eine Longitudinalrichtung von jeder Gate-Elektrode 122 die Richtung, entlang der sich die (100)-Ebene erstreckt (das heißt, die Richtung der kristallographischen Achse c). Gate-Verkabelungen 140 und Gate-Dämpfungsglieder 142 sind über der oberen Oberfläche 112a des Galliumoxidsubstrats 112 angeordnet. Die Gate-Verkabelungen 140 und die Gate-Dämpfungsglieder 142 sind durch eine nicht gezeigte Zwischeneben-Isolationsschicht von dem Galliumoxidsubstrat 112 isoliert. Jede Gate-Verkabelung 140 ist an ein Ende von jeder Gate-Elektrode 122 in ihrer Longitudinalrichtung angeschlossen. Die Gate-Verkabelungen 140 verbinden jede Gate-Elektrode 122 mit den jeweiligen Gate-Dämpfungsgliedern 142.
  • Eine gerade Linie 160 in 4 repräsentiert eine gerade Linie, die sich von einem Verbindungspunkt 113 der Seitenoberfläche 112c und der Seitenoberfläche 112d entlang einer Richtung senkrecht zu der Seitenoberfläche 112d erstreckt. Da die obere Oberfläche 112a des Galliumoxidsubstrats 112 eine parallelogrammatische Form aufweist, existiert ein Dreiecksgebiet 162 zwischen der geraden Linie 160 und der Seitenoberfläche 112c in der Draufsicht der oberen Oberfläche 112a. Eines der Gate-Dämpfungsglieder 142 ist in dem Gebiet 162 unter der oberen Oberfläche 112a platziert. Ein Ausbilden einer Gate-Elektrode(n) 122 in dem Dreiecksgebiet 162 ist schwierig. Beispielsweise, falls die Gate-Elektrode(n) 122 in dem Gebiet 162 ausgebildet wird, würde eine elektrische Feldkonzentration in der Nähe der Gate-Elektrode(n) 122 in dem Gebiet 162 auftreten. Durch ein nicht Bereitstellen der Gate-Elektrode(n) 122 in dem Gebiet 162, wie in 4 gezeigt, kann eine Stehspannung des Schaltelements 110 verbessert werden. Darüber hinaus erlaubt es ein Bereitstellen des Gate-Dämpfungsglieds 142 in dem Gebiet 162, das Gebiet 162 effektiv zu nutzen und dementsprechend ein Verkleinern des Schaltelements 110. Darüber hinaus repräsentiert eine durchgezogene Linie 170 4 eine durchgezogene Linie, die sich von einem Verbindungspunkt 114 der Seitenoberfläche 112e und der Seitenoberfläche 112f entlang einer Richtung senkrecht zu der Seitenoberfläche 112f erstreckt. In der Draufsicht der oberen Oberfläche 112a existiert ein Dreiecksgebiet 172 zwischen der durchgezogenen Linie 170 und der Seitenoberfläche 112e. Ein anderes der Gate-Dämpfungsglieder 142 ist in dem Gebiet 162 unter der oberen Oberfläche 112a platziert. Ein Bereitstellen des Gate-Dämpfungsglieds 142 in dem Gebiet 172 erlaubt ein effektives Nutzen des Gebiets 172 und dementsprechend ein Verkleinern des Schaltelements 110.
  • Wie in 5 gezeigt, ist jede Source-Elektrode 124 zwischen entsprechend benachbarten Gate-Elektroden 122 platziert. Jede Source-Elektrode 124 ist in Kontakt mit der oberen Oberfläche 112a des Galliumoxidsubstrats 112.
  • Eine Drain-Elektrode 126 ist bereitgestellt, um in Kontakt mit der unteren Oberfläche 112b des Galliumoxidsubstrats 112 zu sein. Die Drain-Elektrode 126 bedeckt eine Gesamtheit der unteren Oberfläche 112b des Galliumoxidsubstrats 112.
  • Eine Vielzahl von Source-Gebieten 130, eine Vielzahl von Körperkontaktgebieten 132, ein Körpergebiet 134, ein Drift-Gebiet 136, und ein Drain-Gebiet 138 sind im Inneren des Galliumoxidsubstrats 112 angeordnet.
  • Jedes Source-Gebiet 130 ist von einem Typ n, bzw. n-leitend, und ist an einer Position platziert, die in Kontakt mit einer entsprechenden der Source-Elektroden 124 einer entsprechenden der Gate-Isolationsschichten 120 ist. Jedes Source-Gebiet 130 ist in Kontakt mit der entsprechenden Gate-Isolationsschicht 120 an einem oberen Endabschnitt von einem entsprechenden der Gräben 118. Jedes Source-Gebiet 130 ist in ohmschem Kontakt mit der entsprechenden Source-Elektrode 124.
  • Jedes Körperkontaktgebiet 132 ist von einem Typ p, bzw. p-leitend, und ist unter einer entsprechenden der Source-Elektroden 124 platziert. Jedes Körperkontaktgebiet 132 ist in ohmschem Kontakt mit der entsprechenden Source-Elektrode 124.
  • Das Körpergebiet 134 ist unter den Source-Gebieten 130 und den Körperkontaktgebieten 132 platziert. Das Körpergebiet 134 ist von einem Typ p, bzw. p-leitend und weist eine geringere p-Störstellenkonzentration als die Körperkontaktgebiete 132 auf. Das Körpergebiet 134 ist in ohmschem Kontakt mit den Gate-Isolationsschichten 120 unter den entsprechenden Source-Gebieten 130.
  • Das Drift-Gebiet 136 ist von einem Typ n, bzw. n-leitend und ist unter dem Körpergebiet 134 platziert. Das Drift-Gebiet 136 ist in Kontakt mit den Gate-Isolationsschichten 120 unter dem Körpergebiet 134. Das Drift-Gebiet 136 ist durch das Körpergebiet 134 von den Source-Gebieten 130 separiert.
  • Das Drain-Gebiet 138 ist von einem Typ n, bzw. n-leitend und weist eine höhere n-Störstellenkonzentration als das Drift-Gebiet 136 auf. Das Drain-Gebiet 138 ist unter dem Drift-Gebiet 136 platziert. Das Drain-Gebiet 138 ist in ohmschem Kontakt mit der Drain-Elektrode 126.
  • Die Gate-Isolationsschichten 120, die Gate-Elektroden 122, die Source-Elektroden 124, die Drain-Elektrode 126, die Source-Gebiete 130, die Körperkontaktgebiete 132, das Körpergebiet 134, das Drift-Gebiet 136, und das Drain-Gebiet 138 bilden n-Kanal-Typ-MOSFETs.
  • Wenn das Schaltelement 110 im Betrieb ist, erzeugt das Galliumoxidsubstrat 112 Wärme. Wie oben erwähnt weist der Galliumoxidkristall eine thermische Leitfähigkeit auf, die in der Richtung parallel zu der kristallographischen Achse b hoch ist. Darüber hinaus, wie oben erwähnt, besteht sowohl die obere Oberfläche 112a als auch die untere Oberfläche 112b des Galliumoxidsubstrats 112 aus der Ebene parallel zu der (010)-Ebene (das heißt, der Ebene senkrecht zu der kristallographischen Achse b). Die in dem Galliumoxidsubstrat 112 erzeugte Wärme wird daher einfach an die Source-Elektroden 124 und die Drain-Elektrode 126 weitergeleitet. Daher kann ein Temperaturanstieg in dem Schaltelement 110 unterdrückt werden.
  • Wie oben beschrieben neigt der Galliumoxidkristall dazu Spalten, bzw. Risse entlang der (100)-Ebene aufzuweisen. In dem Schaltelement 110 in dem zweiten Ausführungsbeispiel jedoch, wie in 4 gezeigt, erstreckt sich die Vielzahl von Gate-Elektroden 122 entlang der Richtung, die die Richtung entlang der sich die (100)-Ebene erstreckt schneidet. Das Galliumoxidsubstrat 112 wird durch die Gate-Elektroden 122 verstärkt, wodurch das Auftreten von Spalten, bzw. Rissen in dem Galliumoxidsubstrat 112 entlang der (100)-Ebene unterdrückt wird. Daher unterdrückt das Schaltelement 110 in dem zweiten Ausführungsbeispiel das Auftreten von Spalten, bzw. Rissen in dem Galliumoxidsubstrat 112, während das Schaltelement 110 hergestellt oder verwendet wird.
  • (Drittes Ausführungsbeispiel)
  • 6 und 7 zeigen ein Schaltelement 210 in einem dritten Ausführungsbeispiel. Das Schaltelement 210 umfasst ein Galliumoxidsubstrat 212. Das Galliumoxidsubstrat 212 weist eine rechteckige Plattenform auf, und umfasst eine obere Oberfläche 212a, eine untere Oberfläche 212b, eine Seitenoberfläche 212c, eine Seitenoberfläche 212d, eine Seitenoberfläche 212e, und eine Seitenoberfläche 212f. Die obere Oberfläche 212a besteht aus einer (010)-Ebene. Die untere Oberfläche 212b besteht aus einer (0-10)-Ebene. Die Seitenoberfläche 212c besteht aus einer (100)-Ebene. Die Seitenoberfläche 212d besteht aus einer (-100)-Ebene. Die Seitenoberfläche 212d ist senkrecht zu der oberen Oberfläche 212a, der unteren Oberfläche 212b, der Seitenoberfläche 212c, und der Seitenoberfläche 212e. Die Seitenoberfläche 212f ist senkrecht zu der oberen Oberfläche 212a, der unteren Oberfläche 212b, der Seitenoberfläche 212c, und der Seitenoberfläche 212e.
  • Wie in 6 gezeigt, ist eine Vielzahl von Gate-Elektroden 222 in dem Galliumoxidsubstrat 212 angeordnet. Die Gate-Elektroden 222 können an der oberen Oberfläche 212a platziert sein, ähnlich der Gate-Elektroden 22 in dem ersten Ausführungsbeispiel, oder können in Gräben platziert sein, ähnlich der Gate-Elektroden 122 in dem zweiten Ausführungsbeispiel. In dem Schaltelement 210 in dem dritten Ausführungsbeispiel ist eine Source-Elektrode 224 platziert, um die jeweiligen Gate-Elektroden 222 zu bedecken. Die Source-Elektrode 224 ist durch eine nicht gezeigte Zwischenebenen-Isolationsschicht von jeder Gate-Elektrode 222 isoliert. Die Source-Elektrode 224 ist in Kontakt mit der oberen Oberfläche 212a des Galliumoxidsubstrats 212 in einem Bereich, in dem die Gate-Elektroden 222 nicht vorliegen. Darüber hinaus ist eine Vielzahl von Elektroden-Dämpfungsgliedern 232a bis 232c über der oberen Oberfläche 212a des Galliumoxidsubstrats 212 angeordnet. Das Elektroden-Dämpfungsglied 232b ist ein Gate-Dämpfungsglied. Das Gate-Dämpfungsglied 232b ist an jede Gate-Elektrode 222 durch eine nicht gezeigte Gate-Verkabelung angeschlossen. Die Elektroden-Dämpfungsglieder 232a bis 232c sind an Positionen platziert, die von der Source-Elektrode 224 in der Richtung der kristallographischen Achse c (das heißt, der Richtung, entlang der sich die (100)-Ebene erstreckt) separiert sind. Das Schaltelement 210 in dem dritten Ausführungsbeispiel, wie in dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel, umfasst eine Struktur von n-Kanal-Typ-MOSFETs. Ebenfalls in dem Schaltelement 210 im dritten Ausführungsbeispiel, weil die obere Oberfläche 212a und die untere Oberfläche 212b parallel zu der (010)-Ebene sind, kann das Schaltelement 210 Wärme von dem Galliumoxidsubstrat 212 effektiv ableiten, während das Schaltelement 210 im Betrieb ist. Darüber hinaus, in einer Draufsicht der oberen Oberfläche 212a des Galliumoxidsubstrats 212, wie in 6 gezeigt, erstreckt sich jede Gate-Elektrode 222 linear entlang der Richtung, die die Richtung schneidet, entlang der sich die (100)-Ebene erstreckt. Daher unterdrückt das Schaltelement 210 in dem dritten Ausführungsbeispiel ebenfalls ein Auftreten von Spalten, bzw. Rissen in dem Galliumoxidsubstrat 212 entlang der (100)-Ebene.
  • 7 zeigt eine Schnittansicht des Schaltelements 210 im dritten Ausführungsbeispiel in einem verpackten Zustand. Eine Drain-Elektrode 226 des Schaltelements 210 ist mit einem Leitungsrahmen 280 verbunden. Die Source-Elektrode 224 des Schaltelements 210 weist einen damit verbundenen Metallblock 282 auf. Das Gate-Dämpfungsglied 232b weist einen Bonding-Draht 284 auf, der daran verbunden ist. Das Schaltelement 210 ist in einem isolierenden Harz 286 eingekapselt.
  • Wie in 7 gezeigt, ist keine Elektrode in einem Abstand 225 zwischen dem Gate-Dämpfungsglied 232b und der Source-Elektrode 224 bereitgestellt. Somit ist, vor dem Ausbilden des isolierenden Harzes 286, die obere Oberfläche 212a des Galliumoxidsubstrats 212 an dem Abstand 225 freigelegt. Der Abstand 225 ist somit relativ zu einer Oberfläche des Gate-Dämpfungsglieds 232b und einer Oberfläche der Source-Elektrode 224 in einer Rillenform vertieft. Der Abstand 225, der in der Rillenform vertieft ist, neigt dazu unter Spannungskonzentrationen zu leiden, wenn das Schaltelement 210 tatsächlich montiert wird. Darüber hinaus, wenn sich das isolierenden Harz 286 während des Verwendens des Schaltelements 210 thermisch ausdehnt, wird eine Spannung, bzw. Beanspruchung an das Galliumoxidsubstrat 212 angelegt. Eine hohe Beanspruchung wird insbesondere an den Abstand 225 angelegt, der an einer Grenze zwischen einem Bereich positioniert ist, der mit dem dicken Metallblock 282 bedeckt ist und einen Bereich, der nicht mit dem Metallblock 282 bedeckt ist. Als solches ist der Abstand 225 anfällig vom Anlegen einer hohen Beanspruchung zu leiden. Falls eine Richtung, entlang der sich der Abstand 225 erstreckt, mit der Richtung zusammenfällt, entlang der das Galliumoxidsubstrat 212 einfach spaltet (das heißt, der Richtung entlang der sich die (100)-Ebene erstreckt), können Spalten, bzw. Risse mit einer signifikanten Wahrscheinlichkeit in dem Abstand 225 auftreten. Im Gegensatz dazu erlaubt das dritte Ausführungsbeispiel, wie in 6 gezeigt, sich dem Abstand 225 entlang der Seitenoberfläche 212d zu erstrecken. In anderen Worten erstreckt sich der Abstand 225 entlang der Richtung senkrecht zu der (100)-Ebene. In anderen Worten schneidet die Richtung, entlang der sich der Abstand 225 erstreckt (genauer gesagt, senkrecht dazu ist) die Richtung, entlang der sich die (100)-Ebene erstreckt. Das unterdrückt ein Auftreten von Spalten, bzw. Rissen in dem Abstand 225.
  • Die Schaltelemente in den ersten bis dritten Ausführungsbeispielen sind oben beschrieben. In einem Prozess des Herstellens der Schaltelemente aus den ersten bis dritten Ausführungsbeispielen kann jedes Schaltelement aus einem Galliumoxidwafer hergestellt werden, der einen Durchmesser von 2 Zoll oder mehr aufweist. In diesem Fall kann ein Prozess des Verdünnens des Galliumoxidwafers durch Polieren einer Oberfläche (beispielsweise einer unteren Oberfläche) des Galliumoxidwafers durchgeführt werden. Beim Verwenden eines Galliumoxidwafers mit einem großen Durchmesser und einer kleinen Dicke als solches, ist es weiter wahrscheinlich Spalten, bzw. Risse während des Herstellens in dem Galliumoxidwafer zu verursachen. Durch Anwenden der Technologie des Unterdrückens von Spalten, bzw. Rissen, die in den ersten bis dritten Ausführungsbeispielen beschrieben ist, bei solchen Herstellungsprozessen, können Spalten, bzw. Risse in dem Galliumsoxidwafer effektiv unterdrückt werden.
  • Ein Verhältnis zwischen Komponenten in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen und Komponenten in den Ansprüchen sind hier im Folgenden beschrieben. Die Seitenoberfläche 112c in dem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel für eine erste Seitenoberfläche in den Ansprüchen. Die Seitenoberfläche 112d in dem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel für eine zweite Seitenoberfläche in den Ansprüchen. Jede der Seitenoberflächen 212c, 212e in dem dritten Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel einer dritten Seitenoberfläche in den Ansprüchen. Jede der Seitenoberflächen 212d, 212f in dem dritten Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel einer vierten Seitenoberfläche in den Ansprüchen.
  • Einige der hier offenbarten technischen Merkmalen sind im Folgenden aufgezählt. Die folgenden technischen Elemente sind unabhängig nützlich.
  • In einem Beispiel des hier offenbarten Schaltelements, kann eine Vielzahl von Gräben in der oberen Oberfläche des Galliumoxidsubstrats bereitgestellt sein. In der Draufsicht der oberen Oberflächen des Galliumoxidsubstrats kann eine Longitudinalrichtung von jedem Graben die Richtung schneiden, entlang der sich die (100)-Ebene erstreckt. Jede der Gate-Elektroden kann in einem entsprechenden der Gräben platziert sein.
  • Diese Konfiguration kann Spalten, bzw. Risse in einem Galliumoxidsubstrat in einem Schaltelement, das grabenartige Gate-Elektroden umfasst, unterdrücken.
  • Ein Beispiel des hier offenbarten Schaltelements kann ferner ein Gate-Dämpfungsglied umfassen, das über der oberen Oberfläche des Galliumoxidsubstrats platziert ist und mit jeder Gate-Elektrode verbunden ist. Ferner kann das Galliumoxidsubstrat umfassen: Eine erste Seitenoberfläche, die aus der (100)-Ebene besteht; und eine zweite Seitenoberfläche, die aus der (001)-Ebene des Galliumoxidkristalls besteht. In der Draufsicht der oberen Oberfläche des Galliumoxidsubstrats kann das Gate-Dämpfungsglied innerhalb eines Bereiches zwischen einer durchgezogenen Linie und der ersten Seitenoberfläche platziert sein, wobei sich die durchgezogene Linie von einer Verbindung der ersten Seitenoberfläche und der zweiten Seitenoberfläche entlang einer Richtung senkrecht zu der zweiten Seitenoberfläche erstreckt.
  • Da der Galliumoxidkristall eine monokline Kristallstruktur aufweist, bringt es der ersten Seitenoberfläche zu erlauben aus der (100)-Ebene zu bestehen und der zweiten Seitenoberfläche zu erlauben aus der (001)-Ebene zu bestehen einen Winkel zwischen der ersten Seitenoberfläche und der zweiten Seitenoberfläche dazu 90° zu übersteigen. Daher, falls eine durchgezogene Linie, die sich von der Verbindung der ersten Seitenoberfläche und der zweiten Seitenoberfläche entlang der Richtung senkrecht zu der zweiten Seitenoberfläche erstreckt, virtuell in der Draufsicht der oberen Oberfläche des Galliumoxidsubstrats bereitgestellt ist, ergibt das einen dreieckigen Raum zwischen der durchgezogenen Linie und der ersten Seitenoberfläche. Ein Bereitstellen eines Gate-Dämpfungsglieds in diesem Raum ermöglicht ein effektives Nutzen dieses Raums.
  • Ein anderes Beispiel des hier offenbarten Schaltelements kann ferner umfassen: Eine Haupt-Elektrode, die über der oberen Oberfläche des Galliumoxidsubstrats platziert ist; und ein Gate-Dämpfungsglied, das über der oberen Oberfläche des Galliumoxidsubstrats bereitgestellt ist und mit jeder Gate-Elektrode verbunden ist. Das Galliumoxidsubstrat kann umfassen: Eine dritte Seitenoberfläche, die parallel zu der (100)-Ebene ist; eine vierte Seitenoberfläche senkrecht zu sowohl der (100)-Ebene als auch der (010)-Ebene. In der Draufsicht der oberen Oberfläche des Galliumoxidsubstrats können die Haupt-Elektrode und das Gate-Dämpfungsglied entlang einer Richtung voneinander separiert sein, die sich entlang der (100)-Ebene erstreckt.
  • Ein Abstand zwischen der Haupt-Elektrode und dem Gate-Dämpfungsglied ist anfällig unter einem Spannungseinsatz, bzw. einer Beanspruchung zu leiden. Falls sich dieser Abstand entlang der (100)-Ebene erstreckt, wird das Galliumoxidsubstrat an diesem Abstand extrem leicht zu spalten, bzw. rissig. Wie oben beschrieben, falls die Haupt-Elektrode und das Gate-Dämpfungsglied voneinander separiert entlang der Richtung angeordnet sind, entlang der sich die (100)-Ebene in der Draufsicht der oberen Oberfläche des Galliumoxidsubstrats erstreckt, erstreckt sich der Abstand zwischen der Haupt-Elektrode und dem Gate-Dämpfungsglied entlang der Richtung, die die (100)-Ebene schneidet. Daher kann ein Auftreten von Spalten, bzw. Rissen in dem Galliumoxidsubstrat in diesem Abstand unterdrückt werden.
  • In einem Beispiel des hier offenbarten Schaltelements, in der Draufsicht der oberen Oberfläche des Galliumoxidsubstrats, kann eine Länge des Galliumoxidsubstrats in einer Richtung senkrecht zu der (100)-Ebene kürzer als eine Länge des Galliumoxidsubstrats in einer Richtung sein, entlang der sich die (100)-Ebene erstreckt.
  • Wird dem Galliumoxidsubstrat eine verlängerte Form entlang der Richtung parallel zu der (100)-Ebene gegeben, macht es als solches das Galliumoxidsubstrat weniger wahrscheinlich für Spalten, bzw. Risse entlang der (100)-Ebene.
  • Ein Beispiel eines Herstellungsverfahrens des Schaltelements, das hier offenbart ist, kann umfassen: Polieren einer Oberfläche eines Galliumoxidwafers, der aus einem Galliumoxidkristall besteht und einen Durchmesser von 2 Zoll oder mehr aufweist, um den Galliumoxidwafer zu verdünnen; und Herstellen des Schaltelements aus dem Galliumoxidwafer.
  • Wenn ein Galliumoxidwafer mit einem großen Durchmesser als solches verdünnt wird, treten Spalten, bzw. Risse in dem Galliumoxidwafer während des Herstellens des Schaltelements wahrscheinlich auf. Durch Übernehmen einer der oben beschriebenen Strukturen der Schaltelemente kann ein Spalten, bzw. ein Riss des Galliumsoxidwafers während des Herstellens unterdrückt werden.
  • Während spezifische Beispiele der vorliegenden Offenbarung oben im Detail beschrieben sind, sind diese Beispiele lediglich illustrativer Natur und beschränken den Bereich der Patentansprüche nicht. Die in den Patentansprüchen beschriebene Technologie schließt ebenfalls unterschiedliche Änderungen und Modifikationen an den spezifischen Beispielen, die oben beschrieben sind, ein. Die technischen Elemente, die in der vorliegenden Beschreibung oder Zeichnungen erklärt sind, liefern einen technischen Nutzen, entweder unabhängig oder durch verschiedene Kombinationen. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die Kombinationen beschränkt, die zu der Zeit des Einreichens der Ansprüche beschrieben sind. Ferner ist es der Zweck der Beispiele, die durch die vorliegende Beschreibung oder Zeichnungen veranschaulicht sind, mehrere Ziele gleichzeitig zu erfüllen, und ein Erfüllen eines dieser Ziele gibt der vorliegenden Offenbarung einen technischen Nutzen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2019033990 [0001]
    • JP 2016164906 [0003]

Claims (6)

  1. Schaltelement (10, 110, 210), mit: einem Galliumoxidsubstrat (12, 112, 212) bestehend aus einem Galliumoxidkristall; und einer Vielzahl von Gate-Elektroden (22, 122, 222), die dem Galliumoxidsubstrat (12, 112, 212) über eine Gate-Isolationsschicht (20, 120) zugewandt ist, wobei eine obere Oberfläche (12a, 112a, 212a) des Galliumoxidsubstrats (12, 112, 212) parallel zu einer (010)-Ebene des Galliumoxidkristalls ist, und in einer Draufsicht der oberen Oberfläche (12a, 112a, 212a) des Galliumoxidsubstrats (12, 112, 212), eine Longitudinalrichtung von jeder Gate-Elektrode (22, 122 ,222) eine Richtung schneidet, entlang der sich eine (100)-Ebene des Galliumoxidkristalls erstreckt.
  2. Schaltelement (110) nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl von Gräben (118) in der oberen Oberfläche (112a) des Galliumoxidsubstrats (112) bereitgestellt ist, in der Draufsicht der oberen Oberfläche (112a) des Galliumoxidsubstrats (112) eine Longitudinalrichtung von jedem Graben (118) die Richtung schneidet, entlang der sich die (100)-Ebene erstreckt, und jede Gate-Elektrode (122) in einem entsprechenden der Gräben (118) platziert ist.
  3. Schaltelement (110) nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit einem Gate-Dämpfungsglied (142), das über der oberen Oberfläche (112a) des Galliumoxidsubstrats (112) platziert ist und mit jeder Gate-Elektrode (122) verbunden ist, wobei das Galliumoxidsubstrat (112) umfasst: eine erste Seitenoberfläche (112c) bestehend aus der (100)-Ebene; und eine zweite Seitenoberfläche (112d) bestehend aus einer (001)-Ebene des Galliumoxidkristalls, und in der Draufsicht der oberen Oberfläche (112a) des Galliumoxidsubstrats (112), das Gate-Dämpfungsglied (142) innerhalb eines Bereichs zwischen einer geraden Linie (160) und der ersten Seitenoberfläche (112c) platziert ist, wobei sich die gerade Linie (160) von einer Verbindung (113) der ersten Seitenoberfläche (112c) und der zweiten Seitenoberfläche (112d) entlang einer Richtung senkrecht zu der zweiten Seitenoberfläche (112d) erstreckt.
  4. Schaltelement (210) nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit: einer Haupt-Elektrode (224), die über der oberen Oberfläche (212a) des Galliumoxidsubstrats (212) platziert ist; und einem Gate-Dämpfungsglied (232), das über der oberen Oberfläche (212a) des Galliumoxidsubstrats (212) platziert ist und mit jeder Gate-Elektrode (222) verbunden ist, wobei das Galliumoxidsubstrat (212) umfasst: eine dritte Seitenoberfläche (212c) parallel zu der (100)-Ebene; und eine vierte Seitenoberfläche (212d) senkrecht zu sowohl der (100)-Ebene als auch der (010)-Ebene, und in der Draufsicht der oberen Oberfläche (212a) des Galliumoxidsubstrats (212) sind die Haupt-Elektrode (224) und das Gate-Dämpfungsglied (232) voneinander entlang der Richtung separiert, entlang der sich die (100)-Ebene erstreckt.
  5. Schaltelement (10, 110, 210) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei, in der Draufsicht der oberen Oberfläche (12a, 112a, 212a) des Galliumoxidsubstrats (12, 112, 212), eine Länge (L1) des Galliumoxidsubstrats (12, 112, 212) in einer Richtung senkrecht zu der (100)-Ebene kürzer als eine Länge (L2) des Galliumoxidsubstrats (12, 112, 212) in der Richtung ist, entlang der sich die (100)-Ebene erstreckt.
  6. Verfahren zum Herstellen des Schaltelements (10, 110, 210) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verfahren umfasst: Polieren einer Oberfläche eines Galliumoxidwafers, der aus einem Galliumoxidkristall besteht und einen Durchmesser von 2 Zoll oder mehr aufweist, um den Galliumoxidwafer zu verdünnen; und Herstellen des Schaltelements (10, 110, 210) aus dem Galliumoxidwafer.
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