DE112007001762T5 - Lawinenschutz für Bauelemente mit breiter Bandlücke - Google Patents

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Richard L. Woodin
Christopher L. Rexer
Praveen Muraleedharan Magarpatta Hadapsar Shenoy
Kwanghoon Seocho Oh
Chongman Yun
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Abstract

Verfahren zum Schützen von Bauelementen mit breiter Bandlücke während Spannungstransienten, das folgende Schritte aufweist:
Anordnen eines Klemmbauelements parallel zu einem Bauelement mit breiter Bandlücke, sodass Rückwärtsübergangsenergie durch das Klemmbauelement absorbiert wird;
wobei das Klemmbauelement eine niedrigere Rückwärtsdurchbruchspannung aufweist als das Bauelement mit breiter Bandlücke; und
wobei das Klemmbauelement während einer Lawine eine Durchbruchspannung aufrechterhält, die geringer ist als bei dem Bauelement mit breiter Bandlücke; und
wobei das Klemmbauelement einen höheren Durchlassspannungsabfall aufweist als das Bauelement mit breiter Bandlücke.

Description

  • Querverweis auf verwandte Anmeldungen
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/833,362, eingereicht am 26. Juli 2006, wobei diese Anmeldung hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf Halbleiterbauelemente und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schutz von Bauelementen mit breiter Bandlücke vor einem Ausfall während des Unterdrückens von Spannungstransienten.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Halbleiter mit breiter Bandlücke („WBG-Halbleiter") gewinnen zunehmend an Bedeutung als Materialen, die in der Lage sind, noch über viele Jahre hinweg weitere Bauelementleistungsverbesserungen anzutreiben. Diese Materialien werden normalerweise so definiert, dass sie eine elektronische Bandlücke aufweisen, die größer als 2 eV ist. Siliziumkarbid (SiC) wird schon seit Jahrzehnten erforscht, aber Entwicklungen in letzter Zeit haben kommerzielle SiC-Produkte bei optischen, HF- und Leistungskomponenten fest etabliert. Mit ihrer außerordentlich hohen thermischen und chemischen Stabilität und elektrischen Leistung werden WBG-Bauelemente bei Hochfrequenz-, Hochtemperatur- und Hochleistungsanwendungen verwendet. Beispiele für WBG-Halbleiter sind Galliumnitrid (GaN, EG = 3,4 eV), Aluminiunmitrid (AlN, EG = 6,2 eV), Siliziumkarbid (SiC, EG zwischen 2,2 und 3,25 eV, abhängig vom Polytyp) und Diamant (Eg = 5,45 eV).
  • Bauelemente mit breiter Bandlücke bringen erhebliche Leistungsvorteile verglichen mit Siliziumhalbleiterbauelementen. Siliziumkarbid-Schottky-Dioden finden weitverbreitete Anwendung wegen ihrer schnellen Schaltgeschwindigkeit (trr gering), der geringen gespeicherten Ladung (Qrr) und dem geringen Vorwärtsleitungsverlust. Bauelemente mit breiter Bandlücke (z. B. Siliziumkarbid) weisen jedoch aufgrund der Ausgangssubstratqualität eine schlechte und ungleichmäßige Lawinenfähigkeit (Avalanche-Fähigkeit) auf. Ein Lawinendurchbruch ist eine Form von Vervielfachung von elektrischem Strom, die es ermöglichen kann, dass sehr große Ströme in Materialien fließen, die ansonsten gute Isolatoren sind. Ein Lawinendurchbruch kann in Feststoffen, Flüssigkeiten oder Gasen auftreten, wenn die Spannung, die über das Isoliermaterial angelegt wird, groß genug ist, um freie Elektronen so sehr zu beschleuni gen, dass sie andere Elektronen freischlagen können, wenn sie auf Atome in dem Material auftreffen. Dieses Phänomen kann bei Halbleiterdioden, wie z. B. der Lawinendiode (Avalanche-Diode) und der Lawinenphotodiode (Avalanche-Photodiode), sehr nützlich sein, in anderen Situationen, wie z. B. bei MOSFET-Transistoren, kann ein Lawinendurchbruch aber das Bauelement zerstören. Wenn ein Lawinendurchbruch in einem isolierenden Feststoffmaterial stattfindet, ist derselbe fast immer zerstörerisch. Verbesserungen der Lawinenfähigkeit bei breiten Bandlücken sind jedoch erwünscht.
  • Eine gängige Lawinendiodenanwendung besteht darin, elektronische Schaltungen vor schädlichen hohen Spannungen zu schützen. Die Lawinendiode ist so mit der Schaltung verbunden, dass dieselbe in Sperrrichtung vorgespannt ist. In anderen Worten ist ihre Kathode bezüglich ihrer Anode positiv. Bei dieser Konfiguration ist die Diode nicht-leitend und beeinträchtigt die Schaltung nicht. Wenn die Spannung über die vorgesehene Grenze ansteigt, unterliegt die Diode einem Lawinendurchbruch, was die schädliche Spannung begrenzt. Wenn dieselben auf diese Weise verwendet werden, werden sie häufig als Klemmdioden (clamp Diode) bezeichnet, weil sie die Spannung auf einem vorbestimmten maximalen Pegel „festklemmen". Lawinendioden sind für diese Rolle normalerweise durch ihre Klemmspannung VBR und den maximalen Transienten, den sie absorbieren können, spezifiziert, wobei die Spezifikation entweder durch Energie (in Joule) oder I2t erfolgt. Ein Lawinendurchbruch verursacht keine Zerstörungen, solange die Diode nicht die Möglichkeit hat zu überhitzen.
  • Wird eine einfache Zener-Diode mit dem Bauelement mit breiter Bandlücke parallel geschaltet, kann dies zur Injektion von Minoritätsladungsträgern bei dem Bauelement mit breiter Bandlücke führen, wodurch die Schaltleistung des Bauelements mit breiter Bandlücke verschlechtert wird. Wie in den US-Patenten Nr. 6,144,093 , erteilt an Davis et al. („Davis"), und 5,544,038 , erteilt an Fisher et al. („Fisher") erörtert ist, können, wenn ein MOSFET- oder ein anderes Halbleiterbauelement mit MOS-Gate bei Schaltanwendungen verwendet wird, bei denen das Gate des Bauelements wiederholt an- und ausgeschaltet wird, Stromtransienten durch die Body-Diode des Bauelements fließen, wenn das Bauelement abgeschaltet ist, was die Abschaltzeit des Bauelements erhöht. Eine Lösung besteht darin, eine Schottky-Diode parallel zu der Body-Diode und in der Richtung derselben ausgerichtet anzuordnen, um einen schnelleren Weg für den Fluss von Stromtransienten bereitzustellen. Normalerweise weist die Schottky-Diode einen Durchlassspannungsabfall von etwa 0,4 V auf, wohingegen die Body-Diode normalerweise einen Durchlassspannungsabfall von 0,7 V aufweist. Die Schottky-Diode verhindert somit, dass die Body-Diode leitet, weil die Schottky-Diode im Allgemeinen einen geringeren Durchlassspannungsabfall aufweist als die Body-Diode. Anders als bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung benötigt Davis jedoch zumindest zwei Drahtbondverbindungen und eine dritte Verbindung, und Fisher benötigt einen Transistor.
  • Ein Klemmschutz für Bauelemente mit breiter Bandlücke, der die Injektion von Minoritätsladungsträgern bei dem Klemmbauelement verhindert, was zu einer Verminderung des Schaltgeschwindigkeitsvorteils führt, ist erwünscht.
  • Ferner ist ein Klemmschutz erwünscht, der monolithisch einfach zu implementieren ist und eine gleichmäßige Feldverteilung für eine gute Randdurchbruchspannung (breakdown voltage – BV) eines Bauelements mit breiter Bandlücke liefert.
  • Ferner ist ein Klemmschutz erwünscht, der ausgleichende temperaturkoeffizienten von Vorwärts- und Rückwärtsübergängen aufweist, um minimale BV-Temperaturkoeffizienten zu liefern.
  • Ferner ist ein Klemmschutz erwünscht, der es ermöglicht, dass die Lawinenfähigkeit unabhängig eingestellt wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung weist bei einer Form derselben ein Bauelement mit breiter Bandlücke auf, das eine verbesserte Lawinenfähigkeit aufweist, die dadurch erzeugt wird, dass eine Mehrfachreihe von Dioden über den Sperrübergang eines Bauelements mit breiter Bandlücke angeordnet wird.
  • Insbesondere umfasst die Erfindung eine monolithische Kombination von antiparallelen Polysiliziumdioden über einen Teil oder den gesamten Umfang des Abschlusses einer Diode mit breiter Bandlücke.
  • Bei einer anderen Form umfasst die Erfindung einen vertikalen Silizium-PNP-Transistor, der parallel zu einem Bauelement mit breiter Bandlücke angeordnet ist.
  • Bei einer anderen Form umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Schützen von Bauelementen mit breiter Bandlücke vor einem Ausfall während der Unterdrückung von Spannungstransienten. Das Verfahren weist die Schritte eines Parallelschaltens eines Klemmbauelements mit einem Bauelement mit breiter Bandlücke auf, sodass die Rückwärtsübergangsenergie durch das Klemmbauelement absorbiert wird, wobei das Klemmbauelement während einer Lawine eine BV aufrechterhält, die geringer ist als bei dem Bauelement mit breiter Bandlücke. Ferner weist das Klemmbauelement einen höheren Durchlassspannungsabfall Vf auf als das Bauelement mit breiter Bandlücke, was ein Vorwärtsleiten durch das Klemmbauelement verhindert.
  • Ein Vorteil von ein oder mehr Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass das Bauelement mit breiter Bandlücke für eine Lawine über der Nennbetriebstemperatur ausgelegt sein kann.
  • Ein weiterer Vorteil von einem oder mehr Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass das Klemmbauelement einen niedrigeren Lawinenübergang liefert, der während einer Lawine oder UIS eine niedrigere BV aufrechterhält als das Bauelement mit breiter Bandlücke.
  • Ein weiterer Vorteil von einem oder mehr Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Verschlechterung der Schaltgeschwindigkeit verringert wird, indem bei dem Klemmbauelement ein höherer Durchlassspannungsabfall bereitgestellt wird, der die Injektion von Minoritätsladungsträgern bei dem Klemmbauelement während einer Vorwärtsvorspannung verhindert.
  • Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eines oder mehr Ausführungsbeispiele derselben einen einfachen vertikalen Transistor mit offener Basis verwenden, der bei Bipolartransistoren mit isoliertem Gate („IGBTs") verwendet wird.
  • Ein weiterer Vorteil von einem oder mehr Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die PNP-Verstärkung durch ein Steuern der Spitzenpufferkonzentration und Ladung optimiert wird, um somit den Temperaturkoeffizienten eines Durchbruchs von Kollektor zu Emitter („BVceo") zu minimieren.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen offenbart. Es zeigen:
  • 1 eine Ausschnittseitenansicht einer Klemmung mit antiparallelen Polysiliziumdioden, die über den Randabschluss eines Bauelements mit breiter Bandlücke angeordnet ist;
  • 2A eine schematische Darstellung einer BVceo-Klemmung mit vertikalem PNP für ein Bauelement mit breiter Bandlücke;
  • 2B ein Schemadiagramm der in 2A gezeigten Bauelemente;
  • 3A einen Graphen der simulierten Spannungen, Ströme und Temperaturanstiege bei dem Klemmbauelement, das in 2 gezeigt ist, wenn der Strom durch die Schottky-Diode in 2, der in einen Induktor fließt, entfernt wird;
  • 3B einen Graphen der gemessenen Spannungen und Ströme unter den gleichen Bedingungen wie die Simulation von 3A; und
  • 4 einen Graphen des Stroms durch das und der Spannung über dem in 2 gezeigten Bauelement und durch die bzw. über der Schottky-Diode allein, wenn die Schottky-Diode von Vorspannung in Durchlassrichtung zu Vorspannung in Sperrrichtung übergeht.
  • Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Teile in allen Ansichten. Die hier ausgeführten Beispiele veranschaulichen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung, sollten jedoch nicht so aufgefasst werden, dass dieselben den Schutzbereich der Erfindung in irgendeiner Weise einschränken.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Mehrchip-Halbleiterbausteine sind in der Technik bekannt und allgemein in den US-Patenten Nr. 6,40,050 ; 6,297,55 ; 6,113,632 und 5,814,884 , alle an Davis et al. erteilt, beschrieben, die hier alle durch Bezugnahme aufgenommen sind.
  • Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird erreicht, indem ein Klemmbauelement, das eine niedrigere Rückwärtsdurchbruchspannung BV aufweist, mit einem Bauelement mit breiter Bandlücke parallel geschaltet wird, sodass Rückwärtsübergangsenergie durch das Klemmbauelement absorbiert wird. Das Klemmbauelement muss während einer Lawine eine BV aufrechterhalten, die geringer als bei der Diode mit breiter Bandlücke ist. Um eine Leitung durch das Klemmbauelement zu verhindern, wenn das Bauelement mit breiter Bandlücke in Durchlassrichtung vorgespannt ist, muss das Klemmbauelement einen höheren Spannungsabfall aufweisen als das Bauelement mit breiter Bandlücke.
  • Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Ausführungsbeispiel 100 eines Bauelements mit breiter Bandlücke gezeigt, das aus einer SiC-Schottky-Diode 120 und einem Klemmbauelement 110 gemäß der vorliegenden Erfindung besteht. Die Verbesserung der Lawinenfähigkeit bei breiter Bandlücke wird erreicht, indem eine Mehrfachreihe oder „Kette" von Polysiliziumdioden 110, die aus abwechselnden P-dotierten Regionen 114 und N-dotierten Regionen 118 bestehen, über den Sperrübergang der Schottky-Diode 120 angeordnet wird. Die Polysiliziumdio den 110 können antiparallel oder in einem Reihenstapel angeordnet sein, wobei der Spannungsabfall der Polysiliziumdioden 110 größer ist als bei der Schottky-Diode Vf. Ein Beispiel ist eine monolithische Kombination von antiparallelen Polysiliziumdioden 110 über einen Teil oder den ganzen Umfang des Randabschlusses der Schottky-Diode 120. Die Schottky-Diode 120 weist ferner eine Schottky-Metallanode 130 auf. Die Polysiliziumdioden 110 sind zwischen das Anodenmetall 140 und das Kathodenmetall 150 geschaltet und werden auf einer Oxidschicht 160 hergestellt, die über einer Abschlußverbindungserweiterung (Junction Termination Extension – JTE) 170 und dem n-Typ-Siliziumkarbidsubstrat 180 positioniert ist. Die Polysiliziumdioden sind unter einer dielektrischen Region 190 angeordnet. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Polysiliziumdioden um ein getrennt gebondetes Bauelement, und dieselben sind nicht über den Abschluss des WBG-Bauelements (nicht gezeigt) angeordnet.
  • Bei Verwendung wird diese Klemmung monolithisch über den WBG-Bauelement-Randabschluss implementiert und kann alleine eine gleichmäßige Feldverteilung für eine gute Rand-BV liefern. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass der Temperaturkoeffizient der Klemmspannung aufgrund des ausgleichens von Rückwärts- und Vorwärtsübergängen nahe Null liegt. Der Strompegel des ungeklemmten induktiven Schaltens („UIS") oder Lawinenschutzes hängt jedoch von der Fläche der Polysiliziumdioden ab und wird durch den parasitären Widerstand der Dioden bei einer Lawine begrenzt.
  • Mit Bezugnahme auf 2A ist ein alternatives Ausführungsbeispiel 200 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein vertikaler Silizium-PNP-Transistor 205 mit offener Basis ist parallel zu einer Siliziumkarbid-Schottky-Diode 210 mit breiter Bandlücke und hoher Spannung (z. B. Nennspannung 600 V oder mehr) angeordnet. Für Fachleute ist klar, dass MOSFET- und JFET-Transistoren anstelle des PNP-Transistors 205 verwendet werden können. Wie es in der Technik bekannt ist, wird ein herkömmlicher PNP-Transistor gebildet, indem eine dünne Region aus N-Typ-Halbleitermaterial zwischen zwei Regionen aus P-Typ-Material eingebracht wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der PNP-Transistor 205 eine P-dotierte Kollektorregion 215, eine N-dotierte Basisschicht 220, eine N-dotierte Pufferschicht 225 und eine P-dotierte Emitterschicht 230 auf. Eine Metallisierung 235 kontaktiert die Kollektorregion 215. Die Schottky-Diode 210 weist eine Schottky-Übergangsmetallschicht 230 auf, die mit einer Metallisierung 236 in Kontakt steht. Bei dem Substrat 240 der Schottky-Diode handelt es sich um N-dotiertes SiC.
  • 2B ist eine schematische Darstellung der Struktur, die in 2A gezeigt ist. Eine Diode 250 repräsentiert die Schottky-Diode 210, eine Diode 255 repräsentiert den PN-Übergang zwischen der Kollektorregion 215 und der N-Schicht 220, und eine Diode 260 repräsentiert den PN-Übergang zwischen der Pufferschicht 225 und der Emitterschicht 230.
  • Der PNP-Transistor 205 und die Schottky-Diode 210 können mit getrennten Drähten oder Leitungen 270 und 275, die bezüglich des Bausteins intern oder extern sind, bondverbunden sein. Z. B. können die Bauelemente durch Verfahren eingehaust werden, die Folgendes umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind: (1) externes Verbinden des PNP-Transistors 205 und der Schottky-Diode 210 durch Drahtbonden; (2) Befestigen des PNP-Transistors 205 und der Schottky-Diode 210 an dem gleichen Block und Verbinden der oberen Metallisierungen miteinander; oder (3) Verbinden des PNP-Transistors 205 und der Schottky-Diode 210 durch einen einzige Bonddraht mit dem Leitungsrahmen oder der externen Schaltung.
  • Bei Verwendung wird der Silizium-PNP-Transistor 205 im BVceo-Modus betrieben, wenn die Schottky-Diode 210 geschützt wird. Die Pufferschicht 225 bewirkt, dass das Bauelement eine asymmetrische Sperrung aufweist. Wenn die Schaltung in Durchlassrichtung vorgespannt ist, bleibt der PNP-Transistor 205 aus, und der gesamte Strom fließt durch die Schottky-Diode 210. Bei Vorspannung in Sperrrichtung bricht der PNP-Transistor 205 vor der Schottky-Diode 210 durch, und der gesamte Strom fließt durch den PNP-Transistor 205.
  • Die Rückwärtsübergangspufferschicht 225 sollte ausreichend Ladung enthalten, um einen BVceo-Snap-Back zu minimieren. Die Pufferschicht 225 ist derart optimiert, dass die BViceo in einem akzeptablen Bereich gehalten wird, um die erforderliche minimale Sperrspannung und die maximale Klemmspannung über Temperatur zu erfüllen. Mit zunehmender Temperatur während UIS bleibt der positive Temperaturkoeffizient von BViceo wegen des positiven Temperaturkoeffizienten der Verstärkung niedriger als bei einer PN-Diode.
  • Die Dicke der N-Schicht 220 sollte derart hergestellt sein, dass das elektrische Feld nicht während einer Lawine bis zur N-Pufferschicht 225 durchgreift.
  • Bei 3A handelt es sich um einen Graphen 300 der simulierten Spannungen, Ströme und Temperaturanstiege bei dem PNP-Transistor 205, wenn ein Strom von 2 A, der durch die Schottky-Diode 210 fließt und in einen Induktor von 20 mH fließt, unterbrochen wird. Die Unterbrechung des Stromes zu dem Zeitpunkt, der durch den Pfeil 310 gezeigt ist, prägt eine große Übergangsspannung über dem PNP-Transistor 205 und der Schottky-Diode 210 ein. Vor dem Zeitpunkt, der durch Pfeil 310 angezeigt ist, beträgt der Strom durch den PNP-Transistor 205, gezeigt durch Linie 320, praktisch Null, und die Spannung über dem PNP-Transistor 205, gezeigt durch Linie 330, ist Vf der Schottky-Diode 210. Die Temperatur des Übergangs der Kathodenregion 215 und der N-Schicht 220 ist durch die Linie 340 gezeigt, wobei es sich um die Temperatur des PNP-Transistors 205 handelt, da praktisch kein Strom durch den Transistor fließt.
  • Wenn der Strom durch die Schottky-Diode zu dem Zeitpunkt, der durch den Pfeil 310 gezeigt ist, unterbrochen wird, steigt der Strom 320 durch den PNP-Transistor 205 drastisch an und fällt dann ab, wenn der Induktorstrom entladen wird. Die Spannung über dem PNP-Transistor 205 steigt auf BViceo. Aufgrund des Stromes durch den PNP-Transistor 205 steigt die Übergangstemperatur, aber diese Veränderung der Übergangstemperatur hat nur minimale Auswirkungen auf BViceo des Transistors.
  • Bei 3B handelt es sich um einen Graphen der gemessenen Spannung, gezeigt als Linie 350, und des gemessenen Stromes, gezeigt als Linie 360, unter den gleichen Bedingungen wie bei der Simulation von 3A. Ein Vergleich der 3A und 3B zeigt, dass die Vorhersage der Simulation einer relativ flachen BViceo sich in der Praxis bewahrheitet.
  • Die Rückwärtssperrspannung des PNP-Transistors 205 sollte hoch genug vorgesehen sein, sodass der gesamte Vorwärtsvorspannungsstrom durch die Schottky-Diode 210 mit breiter Bandlücke fließt. Ist dies nicht der Fall, müssen injizierte Minoritätsladungsträger aus dem in Durchlassrichtung vorgespannten oberen Übergang und dem hinteren Lawinenübergang bei dem PNP-Transistor 205 durch Verarmungsausbreitung und durch Minoritätsladungsträgerrekombination entfernt werden. Dies verringert den Vorteil von niedrigen Qrr und trr, der durch die vorliegende Erfindung erreicht werden kann. 4 veranschaulicht eine gemessene Rückwärtserholung, die mit und ohne Parallelschaltung des PNP-Transistors 205 eine minimale Auswirkung auf trr der SiC-Schottky-Diode 210 aufweist. Die Schottky-Diode 210 wies einen Id von 6 A, eine VDD von 400 V, eine TJ von 25°C und eine trr von 500 A/μsec auf. Linie 420 zeigt den Strom durch die Schottky-Diode 210, und Linie 410 zeigt die Spannung über derselben, wenn die Schottky-Diode 210 parallel zu dem PNP-Transistor 205 angeordnet ist, wie es in 2 gezeigt ist (die Spannung ist in 4 als Linie 410 gezeigt, und der Strom ist als Linie 420 gezeigt), und wenn die Schottky-Diode 210 nicht mit dem PNP-Transistor 205 verbunden ist (die Spannung ist als Linie 430 gezeigt, und der Strom ist als Linie 440 gezeigt). Wie ersichtlich ist, werden die Rückwärtserholungscharakteristika der Schottky-Diode 210 im Wesentlichen nicht von der Anwesenheit des PNP-Transistors 205 beeinflusst. Die gezeigte Veränderung kann auf die Kapazität des PNP-Transistors 205 zurückgeführt werden, die etwa 15 Pikofarad für den PNP-Transistor 205 betrug, der verwendet wurde, um die Signalverläufe zu erzeugen, die in 4 gezeigt sind.
  • Es sei insbesondere darauf hingewiesen, dass bei diesem Ausführungsbeispiel die PNP-Verstärkung maßgeschneidert werden kann, um den Temperaturkoeffizienten von BVceo zu minimieren, indem die Tiefen der N- und N-Schichten optimiert werden. Außerdem ist nur ein kleinflächiger Chip vonnöten, und die Lawinenfähigkeit kann unabhängig eingestellt werden, indem die horizontale Querschnittsfläche des PNP-Transistors 205 variiert wird.
  • Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist es für Fachleute ersichtlich, dass verschiedene Veränderungen vorgenommen und Elemente derselben durch Äquivalente ersetzt werden können, um eine Anpassung an bestimmte Situationen zu erreichen, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Deshalb soll die Erfindung nicht auf die bestimmten Ausführungsbeispiele beschränkt sein, die als die beste in Erwägung gezogene Ausführung dieser Erfindung offenbart sind, sondern die Erfindung soll alle Ausführungsbeispiele umfassen, die in den Schutzbereich und die Wesensart der angehängten Ansprüche fallen.
  • Zusammenfassung
  • Ein Verfahren und ein Bauelement zum Schutz von Bauelementen mit breiter Bandlücke vor Ausfall während der Unterdrückung von Spannungstransienten. Eine Verbesserung der Lawinenfähigkeit wird dadurch erreicht, dass eine oder mehr Dioden oder ein PNP-Transistor über den Sperrübergang des Bauelements mit breiter Bandlücke angeordnet werden.
  • 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.
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Claims (58)

  1. Verfahren zum Schützen von Bauelementen mit breiter Bandlücke während Spannungstransienten, das folgende Schritte aufweist: Anordnen eines Klemmbauelements parallel zu einem Bauelement mit breiter Bandlücke, sodass Rückwärtsübergangsenergie durch das Klemmbauelement absorbiert wird; wobei das Klemmbauelement eine niedrigere Rückwärtsdurchbruchspannung aufweist als das Bauelement mit breiter Bandlücke; und wobei das Klemmbauelement während einer Lawine eine Durchbruchspannung aufrechterhält, die geringer ist als bei dem Bauelement mit breiter Bandlücke; und wobei das Klemmbauelement einen höheren Durchlassspannungsabfall aufweist als das Bauelement mit breiter Bandlücke.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Klemmbauelement ein vertikaler PNP-Transistor mit offener Basis ist.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Klemmbauelement eine oder mehr Polysiliziumdioden aufweist.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke SiC aufweist.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke Galliumnitrid aufweist.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke Diamant aufweist.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke Aluminiumnitrid aufweist.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke eine Diode ist.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke eine Schottky-Diode ist.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Schottky-Diode eine Nennspannung von 600 V oder mehr aufweist.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke ein MOSFET ist.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke ein JFET ist.
  13. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke ein Bipolartransistor ist.
  14. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate ist.
  15. Bauelement mit breiter Bandlücke, das folgende Merkmale aufweist: ein Bauelement mit breiter Bandlücke, das parallel zu einem Klemmbauelement angeordnet ist; wobei das Klemmbauelement eine niedrigere Rückwärtsdurchbruchspannung aufweist als das Bauelement mit breiter Bandlücke, sodass Rückwärtsübergangsenergie durch das Klemmbauelement absorbiert wird; wobei das Klemmbauelement während einer Lawine eine Durchbruchspannung aufrechterhält, die geringer ist als bei dem Bauelement mit breiter Bandlücke; und wobei das Klemmbauelement einen höheren Durchlassspannungsabfall aufweist als das Bauelement mit breiter Bandlücke.
  16. Bauelement gemäß Anspruch 15, wobei das Klemmbauelement ein PNP-Transistor mit offener Basis ist.
  17. Bauelement gemäß Anspruch 16, wobei der PNP-Transistor gebildet wird, indem eine dünne Region aus N-Typ-Halbleitermaterial zwischen eine erste und eine zweite Region aus P-Typ-Material eingebracht wird.
  18. Bauelement gemäß Anspruch 16, wobei eine N-Typ-Pufferschicht zwischen dem N-Typ-Halbleitermaterial und der zweiten P-Typ-Materialregion eingebracht ist.
  19. Bauelement gemäß Anspruch 18, wobei die N-Typ-Pufferschicht ausreichend dotiert ist, sodass die PNP-Verstärkung gering ist.
  20. Bauelement gemäß Anspruch 18, wobei die N-Typ-Pufferschicht bewirkt, dass das Bauelement eine asymmetrische Sperrung aufweist.
  21. Bauelement gemäß Anspruch 19, wobei die N-Typ-Pufferschicht ausreichend Ladung enthält, um einen BVceo-Snap-Back zu verhindern.
  22. Bauelement gemäß Anspruch 16, wobei der PNP-Transistor mit offener Basis eine ausreichende Rückwärtssperrspannung aufweist, sodass der gesamte Vorwärtsvorspannungsstrom durch das Bauelement mit breiter Bandlücke fließt.
  23. Bauelement gemäß Anspruch 16, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke ein Anoden- und ein Kathodenmetall aufweist.
  24. Bauelement gemäß Anspruch 23, wobei der PNP-Transistor mit offener Basis zwischen das Anoden- und das Kathodenmetall geschaltet ist.
  25. Bauelement gemäß Anspruch 24, wobei der PNP-Transistor mit offener Basis mit dem Bauelement mit breiter Bandlücke drahtgebondet ist.
  26. Bauelement gemäß Anspruch 15, wobei es sich bei dem Klemmbauelement um eine oder mehr Polysiliziumdioden handelt.
  27. Bauelement gemäß Anspruch 26, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke ein Anoden- und ein Kathodenmetall aufweist.
  28. Bauelement gemäß Anspruch 27, wobei die ein oder mehr Polysiliziumdioden zwischen das Anoden- und das Kathodenmetall geschaltet sind.
  29. Bauelement gemäß Anspruch 28, wobei die ein oder mehr Polysiliziumdioden mit dem Bauelement mit breiter Bandlücke drahtgebondet sind.
  30. Bauelement gemäß Anspruch 15, wobei die Diode mit breiter Bandlücke Siliziumkarbid aufweist.
  31. Bauelement gemäß Anspruch 15, wobei die Diode mit breiter Bandlücke Galliumnitrid aufweist.
  32. Bauelement gemäß Anspruch 15, wobei die Diode mit breiter Bandlücke Diamant aufweist.
  33. Bauelement gemäß Anspruch 15, wobei die Diode mit breiter Bandlücke Aluminiumnitrid aufweist.
  34. Bauelement gemäß Anspruch 15, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke eine Diode ist.
  35. Bauelement gemäß Anspruch 15, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke eine Schottky-Diode ist.
  36. Bauelement gemäß Anspruch 35, wobei die Schottky-Diode eine Nennspannung von 600 V oder mehr aufweist.
  37. Bauelement gemäß Anspruch 15, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke ein MOSFET ist.
  38. Bauelement gemäß Anspruch 15, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke ein JFET ist.
  39. Bauelement gemäß Anspruch 15, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke ein Bipolartransistor ist.
  40. Bauelement gemäß Anspruch 15, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate ist.
  41. Bauelement mit breiter Bandlücke, das folgende Merkmale aufweist: eine monolithische Integration von ein oder mehr Polysiliziumdioden, die über den Sperrübergang eines Bauelements mit breiter Bandlücke angeordnet sind; wobei das Klemmbauelement eine niedrigere Rückwärtsdurchbruchspannung aufweist als das Bauelement mit breiter Bandlücke, sodass Rückwärtsübergangsenergie durch das Klemmbauelement absorbiert wird; wobei das Klemmbauelement während einer Lawine eine Durchbruchspannung aufrechterhält, die geringer ist als bei dem Bauelement mit breiter Bandlücke; und wobei das Klemmbauelement einen höheren Durchlassspannungsabfall aufweist als das Bauelement mit breiter Bandlücke.
  42. Bauelement gemäß Anspruch 41, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke Siliziumkarbid aufweist.
  43. Bauelement gemäß Anspruch 41, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke Galliumnitrid aufweist.
  44. Bauelement gemäß Anspruch 41, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke Diamant aufweist.
  45. Bauelement gemäß Anspruch 41, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke Aluminiumnitrid aufweist.
  46. Bauelement gemäß Anspruch 41, wobei die Polysiliziumdioden antiparallel angeordnet sind.
  47. Bauelement gemäß Anspruch 41, wobei die Dioden in einem Reihenstapel angeordnet sind.
  48. Bauelement gemäß Anspruch 41, wobei eine monolithische Kombination von antiparallelen Polysiliziumdioden über einen Teil oder den gesamten Umfang des Randabschlusses des Bauelements mit breiter Bandlücke angeordnet ist.
  49. Bauelement gemäß Anspruch 41, wobei die Polysiliziumdioden auf einer Oxidschicht hergestellt werden.
  50. Bauelement gemäß Anspruch 41, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke eine Diode ist.
  51. Bauelement gemäß Anspruch 41, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke eine Schottky-Diode ist.
  52. Bauelement gemäß Anspruch 51, wobei die Schottky-Diode eine Nennspannung von 600 V oder mehr aufweist.
  53. Bauelement gemäß Anspruch 41, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke ein MOSFET ist.
  54. Bauelement gemäß Anspruch 41, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke ein JFET ist.
  55. Bauelement gemäß Anspruch 41, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke ein Bipolartransistor ist.
  56. Bauelement gemäß Anspruch 41, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate ist.
  57. Bauelement gemäß Anspruch 41, wobei das Bauelement mit breiter Bandlücke ein Anoden- und ein Kathodenmetall aufweist.
  58. Bauelement gemäß Anspruch 57, wobei die Polysiliziumdioden zwischen das Anoden- und das Kathodenmetall geschaltet sind.
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