DE102020202055A1 - Leistungsbauteil - Google Patents

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Abstract

Leistungsbauteil, in dem ein primärer Transistor (150), der als Leistungstransistor ausgebildet ist, und ein sekundärer Transistor (144) integriert sind, wobei der primäre Transistor (150) einen Gate-Anschluss (128), einen Drain-Anschluss (124) und einen Source-Anschluss (126) aufweist, im Bereich des Drain-Anschlusses (124) ein Drain-Drift-Gebiet (134) ausgebildet ist, und im Bereich des Drain-Drift-Gebiets (134) ein zusätzlicher implantierter Bereich (140) und neben dem Drain-Drift-Gebiet (134) ein zusätzlicher Kontakt (142) vorgesehen sind, wodurch der sekundäre Transistor (144) gebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leistungsbauteil, ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungsbauteils und ein Verfahren zum Untersuchen eines solchen Leistungsbauteils.
  • Stand der Technik
  • Leistungsbauteile sind Elemente in der Elektronik, die dazu eingesetzt werden, große Spannungen, Ströme und/oder Leistungen zu beeinflussen, typischerweise diese Größen zu steuern. So ist insbesondere der Einsatz von Leistungstransistoren bekannt, die zum Schalten von hohen Spannungen, Strömen und/oder Leistungen eingesetzt werden. Es sind in diesem Bereich sowohl bipolare Transistoren als auch unipolare Transistoren, typischerweise MOSFET-Transistoren, bekannt.
  • Leistungstransistoren besitzen typischerweise zwei vorteilhafte Betriebszustände. In einem ersten Betriebszustand bilden diese einen sehr niedrigen Widerstand aus und erlauben einen hohen Stromfluss mit wenigen Verlusten. In einem zweiten Betriebszustand liegt ein sperrender Betriebszustand vor. Hierbei sperren die Leistungstransistoren den Stromfluss und halten somit ein hohes Feld aufrecht.
  • Leistungstransistoren werden im automotiven Bereich u. a. bei Stromstellern und Invertern eingesetzt. Hierbei sind eine hohe und andauernde Zuverlässigkeit sowie eine geringe Ausfallrate von Bedeutung.
  • Da über einen längeren Zeitraum der sperrende Betriebszustand am Transistor anliegt, liegen hohe Feldstärken an dem Transitor an. Damit erfährt das Feld eine hohe Belastung und Degenerationsmechanismen treten auf. Da eine Zerstörung dieser Bauteile einen direkten Ausfall des gesamten Fahrzeugs verursachen können, ist eine Überprüfung des Zustands der Leistungstransistoren in diesem Betrieb vorteilhaft. Bei einem vorzeitig zu starken Degenerieren der Leistungstransistoren kann bereits vor dem Ende deren Lebenszeit die entsprechende Leistungselektronik ausgetauscht werden und damit ein Ausfall im Betrieb des Fahrzeugs verhindert werden.
  • In einer bekannten Ausführung werden Leistungstransistoren auf Basis des Halbleitermaterials Galliumnitrid, im folgenden als GaN bezeichnet, gefertigt. Dies hat den Vorteil, dass die sich ausbildende Bandlücke dieses Halbleiters im Vergleich zu den traditionell auf Silizium basierenden Halbleitertransistoren relativ weit ist. Zu beachten ist, dass aufgrund materialspezifischer Eigenschaften die notwendige Dotierung für einen Leistungstransistor in GaN prozesstechnisch schwierig herzustellen ist. Darum wird ein spezielles Design verwendet, das typischerweise weniger Dotierungen benötigt. Dieses Design wird als High Elektron Mobility Transistor (HEMT) Design bezeichnet. Der auf diese Weise bereitgestellte Transistor wird als HEMT-Transistor bezeichnet.
  • Bei einem HEMT-Transistor wird der leitfähige Kanal nicht wie bei Silizium traditionell als Inversions- oder Akkumulationskanal ausgebildet, sondern dieser wird als hochleitfähiges 2-dimensionales Elektronengas (2DEG) ausgebildet. Hierbei werden prozesstechnisch zwei Schichten aus GaN sowie AlGaN abgeschieden. Zwischen diesen Schichten bildet sich dieses 2DEG als hochleitfähige Schicht aus. Über einen Potentialkontakt können die Eigenschaften dieses 2DEGs beeinflusst werden. Dadurch wird der Transistor geschalten.
  • Ein 2DEG ist das Auftreten von metallischen Elektronen in einer Halbleiter-Heterostruktur, in der sich die Elektronen effektiv nur in zwei Dimensionen bewegen können. 2DEGs können erzeugt werden, wenn zwei Halbleiterschichten mit deutlich unterschiedlicher Bandlücke und unterschiedlichen Fermi-Niveaus aufeinander aufgebracht werden. Um die unterschiedlichen Fermi-Energien auszugleichen, fließen an der Grenzschicht einige Elektronen auf die andere Halbleiterschicht und erzeugen auf diese Weise ein lokales elektrisches Feld. Hierdurch kann es im Leitungsband ein relativ scharf auf die Grenzschicht begrenztes Energieminimum geben. Elektronen, die sich in diesem Minimum befinden, haben nicht ausreichend Energie, um dieses Minimum zu verlassen.
  • Im Gegensatz zu den traditionell aus Silizium hergestellten Leistungstransistoren liegt keine pn-Diode vor. Dies hat zur Folge, dass keine sogenannte Avalanchefestigkeit vorliegt. Im Falle einer Überspannung liegt die Spannung über der pn-Diode an, und wird über den Avalanche- bzw. Lawinen-Effekt im Halbleiter abgebaut. Die pn-Diode wird bei einer hohen Spannung leitend und ein Strom fließt. Dadurch fließt die von außen anliegende Überspannung über den Transistor und wird dadurch abgebaut. Abhängig von der Energie, die beim Abbau der Überspannung im Transistor verbleibt, kann dieser Vorgang zerstörungsfrei ablaufen.
  • Bei einem HEMT-Transistor kann dieser Vorgang aufgrund des Designs nicht zerstörungsfrei ablaufen. Da bei diesem Transistortyp keine Diode vorhanden ist, wirkt die Überspannung direkt auf die Ausgangskapazitäten ein. Diese Ausgangskapazitäten werden durch die unterschiedlichen dielektrischen Schichten des Transistors gebildet. Ist die Feldstärke an den dielektrischen Schichten zu hoch, erfolgt ein dielektrischer Druchbruch, der typischerweise zerstörungsbehaftet ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund werden ein Leistungsbauteil nach Anspruch 1, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Leistungsbauteils nach Anspruch 8 und ein Verfahren zum Untersuchen eines Leistungsbauteils nach Anspruch 10 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
  • Das vorgestellte Leistungsbauteil weist einen primären Transistor, der als Leistungstransistor ausgebildet ist, und ein sekundären Transistor auf, wobei die beiden Transistoren insbesondere monolithisch in dem Leistungsbauteil integriert sind. Der primäre Transistor weist einen Gate-Anschluss, einen Drain-Anschluss und einen Source-Anschluss auf, wobei im Bereich des Drain-Anschlusses ein Drain-Drift-Gebiet ausgebildet ist. Im Bereich des Drain-Drift-Gebiets sind dabei ein zusätzlicher implantierter Bereich, typischerweise ein hochohmiger Bereich, und neben dem Drain-Drift-Gebiet ein zusätzlicher Kontakt 142 angeordnet. Hierdurch wird der sekundäre Transistor gebildet.
  • Über diesen zusätzlichen bzw. sekundären Transistor kann nunmehr der Degenerationszustand des gesamten Leistungsbauteils und daher auch des primären Transistors, des Leistungstransistors, bestimmt werden. Das Verfahren dient somit vornehmlich zum Untersuchen des Zustands des primären Transistors und damit des Leistungstransistors, der in dem Leistungsbauteil integriert ist. Somit kann der primäre Transistor im Rahmen einer Untersuchung bzw. im Rahmen eines Diagnoseverfahrens analysiert werden. Hierzu wird an den sekundären Transistor, der ebenfalls in dem Leistungsbauteil integriert ist, eine typischerweise niedrige Spannung angelegt und dieser dann ausgelesen. Die Funktion bzw. der Betrieb des primären Transistors ist dadurch nicht beeinträchtigt.
  • Das beschriebene Verfahren dient zum Herstellen eines Leistungsbauteils, insbesondere eines hierin beschriebenen Leistungsbauteils, und sieht vor, dass im Bereich des Drain-Drift-Gebiets ein zusätzlicher implantierter Bereich und neben dem Drain-Drift-Gebiet ein zusätzlicher Kontakt eingebracht werden, wodurch der sekundäre Transistor in dem Bauteil gebildet wird, der zur Untersuchung des gesamten Leistungsbauteils und damit auch des in diesem integrierten Leistungstransistor verwendet werden kann.
  • Das vorgestellte Leistungsbauteil ist in Ausgestaltung als HEMT-Bauteil ausgebildet und zeichnet sich dadurch aus, dass parallel zu dem primären Leistungstransistor monotlitisch ein weiterer sekundärer Transistor ausgebildet ist. Dieser sekundärer Transistor ist parallel zu dem primären Transistor angeschlossen. Bei dem sekundären Transistor ist allerdings zu beachten, dass die Drain-Driftstrecke durch eine Implantation hochohmig ist. Dadurch erfährt der sekundäre Transistor die gleiche Spannungs- und dadurch Feldbelastungen wie der primäre Transistor, aber es erfolgt kein Stormfluss durch den sekundären Transistor. Zusätzlich enthält der sekundäre Transistor den weiteren Kontakt zum Auslesen des Betriebszustands des sekundären Transistor.
  • Das Leistungsbauteil kann als GaN-HEMT-Bauteil ausgebildet sein. Es wurde somit erkannt, dass bei GaN-HEMT-Transistoren die eingangs erläuterten zerstörungsbehafteten Vorgänge nach dem Stand der Technik nur schwer kontrolliert werden können. Deswegen ist es zweckmäßig, die Degeneration dieser Schichten im Betrieb zu vermessen und somit einen verfrühten Ausfall dieser Bauelemente zu detektieren.
  • Durch die vorgestellte Konstruktion erfährt der sekundäre Transistor die gleiche Belastung wie der primäre Leistungstransistor, kann jedoch über ein getrenntes Signal ausgelesen werden. Somit kann zur Laufzeit des Transistors der Degenerationsstatus ausgelesen werden. Dies ermöglicht somit eine On Board Diagnose. Falls die Degeneration zu stark fortgeschritten ist, kann dem Benutzer ein Austausch der Komponente empfohlen werden. Dies kann bereits zu einem Zeitpunkt, zu dem das System noch nicht defekt ist, vorgenommen werden.
  • Der HEMT-Transistor ist eine spezielle Bauform des Feldeffekttransistors für sehr hohe Frequenzen und stellt eine spezielle Bauform eines JFETs dar. Er besteht üblicherweise aus mehreren Schichten verschiedener Halbleitermaterialien mit unterschiedlich großen Bandlücken. An der Grenzfläche zwischen den beiden Materialien bildet sich dann ein zweidimensionales Elektronengas aus, das als leitfähiger Kanal dienen kann. In diesem Kanal ist die Elektronenbeweglichkeit sehr hoch.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch einen Leistungstransistors.
    • 2 zeigt eine Ausführung des vorgestellten Leistungsbauteils.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
  • 1 zeigt einen Querschnitt eines Leistungstransistors, in diesem Fall ein GaN-Leistungsschalters mit Feldplatte, der insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt ein Substrat 12, das auch als Dämpferschicht wirkt, eine GaN-Schicht 14, eine Schicht 16 mit einem zweidimensionalen Elektronengas (2DEG), eine AlGaN-Schicht 18, einen 2DEG-Kontakt 20, einen implantierten Bereich 22, einen Drain-Anschluss 24, einen Source-Anschluss 26, einen Gate-Anschluss 28 und eine Feldplatte 30. Weiterhin ist eine Isolationsschicht 32 vorgesehen. Im Bereich des Drain-Anschlusses 24 ist ein Drain-Drift-Gebiet 34 ausgebildet.
  • Feldplatten werden dazu eingesetzt, um die Feldstärke elektrischer Felder zu reduzieren, was insbesondere bei Feldern hoher Feldstärke von Relevanz ist. Mit diesen kann somit die Durchbruchspannung verringert, das dynamische Verhalten verbessert und die Zuverlässigkeit der Gesamtanordnung gesteigert werden.
  • In 2 ist die Integration eines Diagnose-Transistors aufgezeigt. Zunächst weist das in 2 gezeigte Leistungsbauteil 100 den gleichen Querschnitt wie der Leistungstransistor 10 aus 1 auf. Entsprechend zeigt die Darstellung ein Substrat 112, das auch als Dämpferschicht wirkt, eine GaN-Schicht 114, eine Schicht 116 mit einem zweidimensionalen Elektronengas (2DEG), eine AlGaN-Schicht 118, einen 2DEG-Kontakt 120, einen implantierten Bereich 122, einen Drain-Anschluss 124, einen Source-Anschluss 126, einen Gate-Anschluss 128 und eine Feldplatte 130. Außerdem ist eine Isolationsschicht 132 vorgesehen. Im Bereich des Drain-Anschlusses 124 ist ein Drain-Drift-Gebiet 134 ausgebildet.
  • Im Gegensatz zu dem Drain-Drift-Gebiet 34 des Leistungstransistors 10 aus 1 ist das Leistungsbauteil 100 jedoch an dieser Stelle ebenso implantiert, d. h. es gibt einen implantierten Bereich 140, so dass dieser Bereich hochohmig ist. Direkt neben diesem Gebiet ist ein zusätzlicher Kontakt 142 angeordnet, der einen zweiten bzw. sekundären Transistor 144 bildet. Daneben ist in der Darstellung ein Punkt 146 höchster Feldstärke gekennzeichnet. In dem Leistungsbauteil ist nach wie vor ein erster bzw. sekundärer Transistor 150, ein Leistungstransistor, vorgesehen.
  • Der sich ausbildende sekundäre Transistor 144 erfährt somit die kritischen Felder aus der anliegenden Drainspannung und deren Degeneration, kann jedoch über den separaten Kontakt-Bereich, den zusätzlichen Kontakt 142, gesondert kontaktiert werden und somit mit einer niedrigen Spannung ausgelesen werden.

Claims (10)

  1. Leistungsbauteil, in dem ein primärer Transistor (150), der als Leistungstransistor ausgebildet ist, und ein sekundärer Transistor (144) integriert sind, wobei der primäre Transistor (150) einen Gate-Anschluss (128), einen Drain-Anschluss (124) und einen Source-Anschluss (126) aufweist, im Bereich des Drain-Anschlusses (124) ein Drain-Drift-Gebiet (134) ausgebildet ist, und im Bereich des Drain-Drift-Gebiets (134) ein zusätzlicher implantierter Bereich (140) und neben dem Drain-Drift-Gebiet (134) ein zusätzlicher Kontakt (142) vorgesehen sind, wodurch der sekundäre Transistor (144) gebildet ist.
  2. Leistungsbauteil nach Anspruch 1, bei dem der sekundäre Transistor (144) mit dem gleichen Drain-Anschluss (124) und Source-Anschluss (126) wie der primäre Transistor (150) verbunden ist.
  3. Leistungsbauteil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der primäre Transistor (150) als HEMT-Transistor ausgebildet ist.
  4. Leitungsbauteil nach Anspruch 3, bei dem der primäre Transistor (150) einen Schichtstapel mit jeweils eine GaN-Schicht (114) und einer AlGaN-Schicht (118) aufweist.
  5. Leistungsbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der zusätzliche implantierte Bereich (140) durch eine Isolationsschicht gebildet ist, die das Drain-Drift-Gebiet (134) von dem primären Transistor (150) trennt.
  6. Leitungsbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem mindestens eine Feldplatte (130) vorgesehen ist.
  7. Leistungsbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das für einen Einsatz im automotiven Bereich vorgesehen ist.
  8. Verfahren zum Herstellen eines Leistungsbauteils (100), insbesondere eines Leistungsbauteils (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Bauteil mit einem primären Transistor (150), der als Leistungstransistor ausgebildet ist, bereitgestellt wird, der primäre Transistor (150) einen Gate-Anschluss (128), einen Drain-Anschluss (124) und einen Source-Anschluss (126) aufweist und im Bereich des Drain-Anschlusses (124) ein Drain-Drift-Gebiet (134) ausgebildet ist, im Bereich des Drain-Drift-Gebiets (134) ein zusätzlicher implantierter Bereich (140) und neben dem Drain-Drift-Gebiet (134) ein zusätzlicher Kontakt (142) eingebracht werden, wodurch der sekundäre Transistor (144) in dem Bauteil gebildet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der primäre Transistor (150) als HEMT-Transistor ausgebildet ist und einen Schichtstapel mit jeweils einer GaN-Schicht (114) und einer AlGaN-Schicht (118) umfasst.
  10. Verfahren zum Untersuchen eines Leistungsbauteils (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der sekundäre Transistor (144) bei Anlegen einer Spannung ausgelesen wird, um einen Degenerationszustand des primären Transistors (150) zu bestimmen.
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