DE19848596C2 - Halbleiterschalter mit gleichmäßig verteilten feinen Steuerstrukturen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterstruktur als Halbleiterschalter, die in verschiedenen Varianten zum Schalten von Strömen eingesetzt werden kann (Anspruch 1 und/oder 2). In ihrer ausgeprägtesten Form erlaubt sie die Realisierung von bidirektionalen Schaltern (MBS, monolithic bidirectional switch), die bei entsprechender Polarität der anliegenden Spannung Ströme in beiden Richtungen ein- und auch abschalten können. Solche bidirektionalen Schalter werden für einige Schaltungen (I-Umrichter, Matrixumrichter), zumeist bei Spannungspegeln verwendet, die oberhalb denjenigen von Gatterschaltungen liegen, bis hin zu mehreren Tausend Volt Sperr- oder Blockierspannung.

Aus "A Fully Depleted Lean Channel Transistor - A novel Vertical Ultrathin SOI MOSFET, IEEE Electron. Device Letters, Vol 11, No. 1, Januar 1990 (by Hisamoto, Kaga, Kawamoto und Takeda) ist ein Bauteil bekannt, das die Autoren dort DELTA nennen. Es weist eine neue Gate-Struktur zur Steuerung auf, die eine vertikale, ganz dünne SOI-Strutkur mit selektivem Feld beinhaltet, vgl. dort Fig. 1 mit zugehörigem Text. Die dabei entstehenden Bauelemente sind solche für die Signalelektronik, vgl. dort die I_DS-Charakteristik in Fig. 3 und die Ausgangscharakteristik (mit dem Parameter der Gate-Spannung) in der dortigen Fig. 4. Die vertikal ausgebildeten Stege zur Ausbildung der DELTA-Elemete haben beidseitig einer über den Steg gelegten Gate-Elektrode eine "Source" und ein "Drain". Unterhalb des Steges ist eine Isolierschicht angeordnet die den Steg von dem unter der Isolierschicht liegenden Substrat elektrisch isoliert. Der Strom fließt also längs der Stege zwischen "Source" und "Drain", wobei das "Gate" nicht nur einseitig, sondern zweiseitig den Kanal zwischen Source und Drain steuernd zu beeinflussen vermag. Der "aktive Bereich" ist somit auf die Steglänge beschränkt, ohne daß mit der DELTA-Struktur des Standes der Technik ein Einfluß auf das darunterliegende Substrat genommen wird.

Aus der FR 2,632,776 (Thomson) ist eine Halbleiterdiode bekannt, die lateral aufgebaut ist (beide Hauptanschlüsse auf derselben Halbleiteroberfläche); sie ist nicht einschaltbar und/oder abschaltbar durch eine Steuerelektrode. Gleiches gilt für EP-B 140 772 (entsprechend US 4,571,559, Henry). Auch großflächig verteilte kleine Strukturen zeigt die DE 195 33 956 (Toshiba, entsprechend US 6,049,109 vom 11. April 2000, erteilt an Omura), bei der diese feinen Strukturen der Erhöhung der Sperrspannungsfestigkeit dienen, und zwar längs von Grenzflächen, ohne einen Einfluß auf eine mögliche Schalterfunktion (Einschalten und/oder Abschalten) zu haben.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen monolithischen Schalter, der nicht durch mehrere Bauelemente hybrid aufgebaut werden muß, zu schaffen, insbesondere sollen die statischen Durchlaß- und Sperrverluste reduziert werden und Möglichkeiten vorgesehen sein, Schaltverluste gegenüber bekannten Schaltern zu verringern.

Die vorgeschlagene Struktur benötigt keinen die Blockier- oder Sperrspannung aufnehmenden (sperrenden) pn-Übergang. Sie zeichnet sich dagegen dadurch aus, daß Bereiche geschaffen werden, deren Potential und damit ihre Ladungsträger- Konzentrationen durch Steuerflächen (Gates) eingestellt werden können. Symbolisch könnte man von einer "gate-gesteuerten Dotierung" sprechen, die je nach Polarität der Spannung an den Anschlußelektroden (des Hauptstrompfades) und dem gewünschten Betriebszustand mittels der Gatespannung eingestellt wird.

Anspruch 1 umschreibt den Erhalt des und den Einschaltzustand(s), der durch Steuerung der Konzentration der Ladungsträger im aktiven Bereich im erhöhenden Sinne erreicht wird. Die gesteuerten feinen Strukturen werden über Felder von MOS- Strukturen so beeinflußt, daß die Konzentration im aktiven Bereich großflächig erhöht werden kann, wenn eine erste Polarität der Steuerspannung für die MOS-Struktur gewählt ist. Anspruch 2 umschreibt den Abschaltvorgang oder den abgeschalteten Zustand, bei dem die Steuerung der Konzentration die Reduzierung dieser Ladungsträger-Konzentration im aktiven Bereich zur Folge hat. Die feinen Strukturen werden hier von derselben MOS-Struktur so beeinflußt, daß bei umgekehrter Polarität der Steuerspannung die Ladungsträger aus dem aktiven Bereich herausgenommen werden. Anspruch 1 und Anspruch 2 können auch kombiniert werden.

Feldplatten im aktiven Bereich auf beiden Seiten vergleichmäßigen den Feldverlauf im abgeschalteten Zustand (Anspruch 3). Die beiden Seiten müssen nicht zwingend gegenüberliegend sein, auf der einen oder anderen Seite eines Kristalls, sie können auch als "beide Seiten" auf derselben Seite des schwach oder nicht dotierten Halbleiterkristalls angeordnet sein (Anspruch 15). Im letzteren Fall spricht man von einem lateralen Schaltelement, das nur eine einseitige Photolithographie in der Herstellung benötigt.

Die feinen Strukturen der Erfindung können sowohl erhaben sein gegenüber der Oberfläche des Halbleiterkristalls (Anspruch 4), sie können in den aktiven Bereich des Halbleiterkristalls abgesenkt sein (Anspruch 6), wobei sie im Rahmen der Absenkung sowohl vertikal ausgerichtet sein können, wie auch horizontal (Anspruch 8). Die feinen Strukturen verbleiben unabhängig davon, wie sie konkret gelegen sind, an der Oberfläche oder zumindest oberflächennah bezüglich des Halbleiterkristalls (Anspruch 18). Auf dieser Oberfläche sind sie im wesentlichen gleichmäßig verteilt und im wesentlichen gleichmäßig ausgebildet (Anspruch 17).

Die Erfindung kann auch im Rahmen eines Halbleiterbauelementes eingesetzt werden, das einen Ladungsträger liefernden pn-Übergang besitzt (Anspruch 19), der aber nicht für die Aufnahme der Sperrspannung geeignet ist; hier ist das schaltende Sperren (und Einschalten) nur in einer Richtung möglich.

Die Steuerung der auf großer Fläche im aktiven Bereich verteilten feinen Strukturen durch die MOS-Strukturen, deren Länge ein Vielfaches ihrer Breite ist (Anspruch 16), kann einseitig oder beidseitig erfolgen (Anspruch 10, Anspruch 6). Je schmaler die feinen Strukturen sind, desto eher kann eine einseitige MOS-Struktur den Steuerbereich ebenso beeinflussen wie eine zweiseitige MOS-Struktur.

Mit der Erfindung wird es möglich, bidirektionale Schalter mit stark reduzierter Dicke der schwach dotierten Zone herzustellen. Bei konventionellen, bidirektional sperrenden Bauelementen, wie etwa Thyristoren, muß ein erster pn-Übergang, der eine Polarität sperrt, ergänzt werden durch einen zweiten, der die Sperrspannung in der anderen Polarität aufnehmen kann. Damit ergeben sich pnp-Strukturen, die bei gleichem Sperrvermögen mindestens die doppelte Baulementdicke erfordern. Dagegen kann erfindungsgemäß (Anspruch 1, 2 und 18 bzw. 19) dieselbe schwach dotierte Zone sowohl die Blockierspannung als auch die Sperrspannung aufnehmen. Aufgrund der geringeren Dicke des Hauptkristallbereichs sind niedrigere Durchlaßspannungen möglich.

Durch Steuerung der Gatespannungen der MOS-Strukturen an den "feinen Strukturen" gegenüber der jeweils benachbarten Anschlußfläche kann die Höhe der Überschwemmungs-Konzentration während des Betriebs eingestellt werden. Dadurch können die Verluste für den jeweiligen Betrieb minimiert werden.

Die zu den Steuerkapazitäten beitragenden Kapazitäten einer ersten Steuerfläche zur gegenüberliegenden Anschlußelektrode bzw. auf der anderen Seite einer weiteren Steuerfläche zur ebenso gegenüberliegenden Anschlußelektrode können entsprechend dem Verhältnis von Strukturbreite zum Abstand zwischen zwei feinen Strukturen relativ klein gehalten werden, so daß der Ansteueraufwand gering bleibt.

Durch eine vor dem Abschalten vorgenommene teilweise Entladung des Bauelementes können die Abschaltverluste im Vergleich zu denen von abschaltbaren Thyristoren (z. B. einen GTO) deutlich reduziert werden.

Von besonderer Bedeutung sind die geringen Anforderungen an einen Herstellungsprozeß. Das Bauelement besteht praktisch vollständig aus unverändertem Halbleiter-Ausgangsmaterial. Es sind keine sperrfähigen pn-Übergänge, keine genau einzustellenden Dotierungskonzentrationen und keine Rekombinationszentren notwendig. Allein Kontaktbereiche, von denen Elektronen und Löcher (als erste und komplementäre zweite Ladungsträger) injiziert bzw. abgeleitet werden können, sind vorgesehen. Dazu können jeweils miteinander über eine Anschlußfläche verbundene (kurzgeschlossene), hochdotierte, aber in ihrer Erstreckung quer zur Oberfläche kurze Bereiche vorgesehen sein. Es können aber auch geeignete Schottkykontakte dazu verwendet werden.

Der bei weitem überwiegende aktive Bereich des Halbleiterkristalls ist mit einer isolierenden Schicht überzogen und durch leitende Feldplatten abgeschirmt, die im sperrenden Zustand das Feld über den Halbleiterkristall vergleichmäßigen. Der reduzierte technologische Herstellungsaufwand ist besonders für Halbleitermaterialien, in die Dotierungen nur äußerst schwierig einzubringen sind, wie Siliziumkarbid, von großem Vorteil.

Ausführungsbeispiele ergänzen und erläutern die Erfindung.

Fig. 1 ist ein Querschnitt durch den aktiven Bereich 1 eines Beispiels eines bidirektionalen Halbleiterschalters mit einem Halbleiterkristall, einer ersten Anschlußelektrode KA auf einer ersten Seite "A" und einer zweiten Anschlußelektrode KB auf einer gegenüberliegenden, anderen Seite "B". Die Legende zeigt die Ausgestaltung der einzelnen Schichten, die Dotierung des Halbleiters, die Isolierschichten, die Gateelektrode und die Metallelektroden.

Fig. 2 veranschaulicht eine Stegstruktur von Fig. 1 in perspektivischer Darstellung. Die Anschlußelektrode KA ist weggebrochen dargestellt, um die Dotierungsstruktur 3a, 4a unterhalb der Elektrode KA und am oberen Ende des Steges 2 deutlich werden zu lassen.

Fig. 3 veranschaulicht einen Randabschluß zum aktiven Bereich gemäß Fig. 1, der eine kontinuierlich gekrümmte Feldplatte 50 aufweist, die mit der metallischen Schicht FA bzw. FB auf der jeweiligen Seite des Halbleiters verbunden ist. Die Stege oder Säulen 10 sind am Beginn der ansteigenden Feldplatte 50 schematisch dargestellt. Die im Endbereich stärker gekrümmt ansteigende Feldplatte 50 liegt auf einer Isolierschicht 51 mit einer entsprechend geformten Oberfläche, die aus SiO₂ gebildet sein kann.

Fig. 4 veranschaulicht einen Querschnitt durch eine Struktur mit abgesenkten oder eingelassenen Stegen 11, mittels einer Trenchtechnologie, die Gateelektroden GA, GB in Gräben einläßt, die der Höhe der in Fig. 1 dargestellten Stege entspricht.

Fig. 5 stellt eine weitere Strukturvariante dar. Diese Struktur entsteht dadurch, daß der Steg von Fig. 2 halbiert und auf die isolierte Feldplatte FA "umgelegt" wird, zur Bildung eines "liegenden Steges" 12. Für diese Struktur ist es besonders einfach, die "Stegbreite" b noch wesentlich geringer zu gestalten.

Fig. 6, Fig. 6a veranschaulichen einen kaskodeartig aufgebauten bidirektionalen Schalter. Die Gates sind hier nicht monolithisch integriert, sondern es werden MOSFET Schalter SnA und SpA vorgesehen, die den gesamten Strom des bidirektionalen Schalters führen, aber nur eine niedrige Sperrspannung aufzunehmen brauchen. Damit wird eine größere Stegbreite der Struktur 13 zulässig. Der Aufbau in Fig. 6 entspricht der Trenchtechnologie der Fig. 4.

Fig. 7 veranschaulicht einen Ausschnitt aus dem aktiven Bereich 1 eines abschaltbaren Thyristors mit einer Struktur in Trenchtechnologie, ähnlich derjenigen von Fig. 4.

Fig. 8, Fig. 8a veranschaulichen eine Aufsicht und einen Schnitt I-I eines schaltenden lateralen Bauelementes mit feinen Steuerstrukturen 14 nur auf einer Seite des Halbleiterkristalls.

Ein Ausschnitt aus der periodisch aufgebauten Struktur eines bidirektionalen Halbleiterschalters ist in Fig. 1 und 2 schematisch skizziert. Die Abmessungen sind von sehr unterschiedlicher Größe und daher nicht maßstabsgerecht dargestellt. Das Bauelement besteht aus einer beispielsweise rechteckigen Scheibe eines Halbleiterkristalls, typischerweise aus Silizium, insbesondere aus Siliziumkarbid. Es wird der aktive Bereich 1, der die Schaltfunktion übernimmt, vom Randbereich 50, 51 gemäß Fig. 3 unterschieden. Fig. 1 stellt nur einen Ausschnitt aus dem aktiven Bereich dar. Die Strukturen auf der Oberseite "A" und auf der Unterseite "B" sind periodisch über die ganze Oberfläche des aktiven Bereichs fortgesetzt; sie sind auf Oberseite und Unterseite identisch. Sie können, brauchen aber nicht, zueinander ausgerichtet sein und sind in Fig. 1 gegeneinander verschoben dargestellt. Jede einzelne Struktur ist sehr klein gegenüber der Dicke der Halbleiterscheibe, die selbst aus intrinsischem (d. h. undotiertem gewöhnlich als "i" bezeichnetem) oder aus sehr schwach n-dotiertem (gewöhnlich als "n" bezeichnetem) oder aus sehr schwach p-dotiertem (gewöhnlich als "p" bezeichnetem) Halbleiterkristall besteht und eine möglichst geringe Konzentration von Rekombinationszentren aufweisen soll (möglichst hohe Ladungsträgerlebensdauer).

Die verteilten feinen Strukturen können sowohl als Säulen (gleiche Ausdehnung senkrecht zur Zeichenebene wie in der Zeichenebene) als auch als Stege 10 (senkrecht zur Zeichenebene sich über den ganzen aktiven Bereich erstreckende Ausdehnung) gebildet werden, ebenso wie eingebettete horizontale oder vertikale Steuerstrukturen gemäß Fig. 4, 5 möglich sind. Hier sollen im folgenden die stegartigen Strukturen 10 zur Erläuterung aller solcher Strukturen weiter behandelt werden. Nur die äußeren Enden dieser Stege weisen eine hohe Dotierung auf und zwar miteinander durch Anschlußelektroden KA bzw. KB kurzgeschlossene n⁺- bzw. p⁺-Gebiete 3, 4. Für stegartige Strukturen können diese stark dotierten Gebiete 3a, 4a auch senkrecht zur Zeichenebene aufeinanderfolgend ausgebildet sein, wie Fig. 2 zeigt.

Bis auf die mit KA und KB kontaktierten Bereiche ist der ganze aktive Bereich 1 mit einer beidseitigen Isolierschicht 20,21 überzogen. Für Silizium beispielsweise mit einer Siliziumoxidschicht hoher Qualität, wie sie für Gateoxide üblich ist. Diese Oxidschicht ist auf den eigentlichen Scheibenoberflächen mit gut leitenden (Metall oder hochdotiertes polykristallines Silizium) Feldelektroden FA bzw. FB bedeckt, die elektrisch mit den jeweiligen Anschlußelektroden der Seite, FA mit KA und FB mit KB verbunden werden.

Auf den senkrecht zur Scheibenoberfläche stehenden Stegwänden ist die Oxidschicht mit Gateelektroden GA bzw. GB bedeckt, die für Silizium typischerweise aus hochdotiertem, gut leitfähigem, polykristallinem Silizium bestehen. Das Bauelement verfügt also über die beiden Hauptanschlüsse KA (verbunden mit FA) und KB (verbunden mit FB) und über die zwei Steuerelektroden GA und GB.

Zur Beschreibung der Funktion ist in Fig. 2 ein Ausschnitt aus einem Steg 10 der Fig. 1 vergrößert dargestellt. Dabei sind die in Längsrichtung des Steges abwechselnd n+- und p+-dotierten Bereiche 3a, 4a, 3a (usw.) gezeigt. Aufgrund der Symmetrie der Anordnung braucht nur eine Spannungsrichtung zwischen den Hauptanschlüssen KA, KB betrachtet zu werden.

Zur Vereinfachung wird eine Spannungsquelle der Spannung U_AB (z. B. U_AB = 1000 V) betrachtet. KA ist verbunden mit dem positiven Pol, KB ist verbunden mit dem negativen Pol.

Sperren

An GA wird gegenüber KA auf der einen Seite "A" des Halbleiterkristalls eine positive Gatespannung U_GKA oberhalb der Schwellspannung der MOS-Struktur (GA - Oxidschicht - Steghalbleiter) von etwa +10 V angelegt. In unmittelbarer Nähe der Stegoberfläche und der Stegansatzstelle gegenüber GA bildet sich eine Elektronenanreicherungsschicht 2a. Dadurch wird zwar das positive Potential von GA vom Steginneren 2 weitgehend abgeschirmt, wenn die Stegbreite b jedoch klein genug gewählt ist, liegt auch in der Mitte des Steges immer noch ein positives Potential von etwa 0,3 V gegenüber KA vor. Das hat zur Folge, daß sich auch dort eine Elektronenkonzentration einstellt, die wesentlich größer als die Löcherkonzentration ist. Der Steg 10 mit seinem Inneren 2 wirkt bei dieser Gatespannung also so, als sei er n- dotiert.

Auf der anderen Seite "B" des Halbleiterkristalls wird zum Sperren der Spannung U_AB in der vorgegebenen Polarität an GB eine gegenüber KB negative Gatespannung U_GKB von etwa -10 V angelegt. Dann bildet sich dort an den dortigen Stegoberflächen eine Löcheranreicherungsschicht und die Stege wirken im Innern p-dotiert. Die Spannung U_AB ist nun so gerichtet, daß bei diesen durch die Gatespannungen hervorgerufenen Ladungsträgerverteilungen praktisch kein Strom fließt. Nur die jeweiligen "Minoritätsladungsträger", d. h. Löcher aus den Stegansätzen "z" der einen Seite "A" bzw. Elektronen aus den Stegansätzen der anderen Seite "B" werden vom elektrischen Feld, das sich über den ganzen intrinsischen Bereich 1 erstreckt, abgesaugt und tragen zum Sperrstrom bei.

Die Stegansätze entsprechen den Übergangsbereichen z von den feinen Strukturen zu dem Hauptkristallbereich.

In einer Beispielsrechnung ergeben sich bei Stegbreiten von 0,3 µm und U_GKA von 10 V im Steginneren ein Potential von etwa +0,3 V und dementsprechend eine Elektronenkonzentration von einigen 10¹⁶ cm^-3. Bei einer Temperatur von 400 K, entsprechend der typischen höchstzulässigen Betriebstemperatur vergleichbarer Bauelemente, folgt daraus eine Löcherkonzentration von einigen 10⁹ cm^-3 und eine Sperrstromdichte von weniger als 1 mAcm^-2.

Im Sperrzustand kann man sich das Bauelement auch als Plattenkondensator mit den "Platten" FA und FB vorstellen. Beim Spannungsanstieg werden aus dem intrinsischen Bereich 1 die Elektronen über die als Stege ausgebildeten "feinen Strukturen" der einen Seite zum +Pol und die Löcher über die entsprechenden "feinen Strukturen" auf der anderen Seite zum -Pol abgeleitet. Durch Generation im entleerten, intrinsischen Bereich 1 neu gebildete Ladungsträger fließen ebenso ab und tragen damit auch zum Sperrstrom bei. Die elektrischen Feldlinien 40 verlaufen praktisch senkrecht durch die Halbleiterscheibe von FA nach FB. Im Bereich der Stegansätze z beginnen die Feldlinien allerdings auf den noch positiveren Gateelektroden GA und verlaufen von dort auf gekrümmter Bahn durch das Oxid und zur anderen Seite des Bauelementes, siehe Fig. 2. Bei ausreichender Länge l des Steges 10 gibt es im Zentrum 2 des Steges keine vertikal verlaufenden Feldlinien 40.

Durchlaßzustand

Werden bei gleicher Polarität von U_AB jetzt die Gatespannungen umgepolt, d. h. U_GKA auf -10 V gegenüber KA und U_GKB auf +10 V gegenüber KB, so bilden sich auf der ersten Seite "A" jetzt Löcheranreicherungsschichten 2a und auf der anderen Seite "B" analoge Elektronenanreicherungsschichten. Diese führen bei der Polarität von U_AB aber sofort zu einem kräftigen Stromfluß und damit bei externer Last zu einem Zusammenbruch der Spannung über dem Bauelement. Die von Seite B auf Seite A driftenden Elektronen können nicht von den isolierten Elektroden FA abgeleitet werden, sondern müssen seitlich bis zu einem Steg diffundieren. Die Stegbereiche werden teilweise von Elektron-Loch Plasma überschwemmt. Die Elektronen werden über die n⁺-Gebiete zum Anschluß KA abgeleitet. Durch den Abstand zwischen zwei Stegen läßt sich die Höhe der möglichen Überschwemmungskonzentration und damit der Durchlaßspannungsabfall beeinflussen.

Zum Abschalten kann das Bauelement zunächst teilweise entladen werden. Werden beispielsweise beide Gatespannungen auf U_GKA = U_GKB = 0 V gesetzt, so verschwinden die Anreicherungsschichten. Das bedeutet auf Seite A, die Löcheranreicherungsschicht existiert nicht mehr, so daß im Steg die Leitfähigkeit für die Löcher und damit der Löcherstrom deutlich reduziert wird. Im Steg werden sich die Konzentrationen von Elektronen und Löchern angleichen und damit der Elektronenstrom deutlich zunehmen. Da auf der Seite B gleichzeitig der Zustrom der Elektronen durch Abbau der Elektronenanreicherungsschichten verringert und der Abfluß von Löchern verstärkt wird, wird das Bauelement bei konstantem Strom entladen. Nach einer Entladephase können dann die Gatespannungen entsprechend der Polung im Sperrzustand eingestellt werden, also U_GKA = +10 V, U_GKB = -10 V, und damit das Bauelement abgeschaltet werden. Es wird dann vollständig entladen und nimmt wieder Spannung auf.

Um den Abschaltvorgang zu optimieren, können die Gatespannungen zeitabhängig variiert werden, abhängig von dem Entladezustand des Halbleiters.

Für Silizium wird die Scheibendicke des Halbleitermaterials entsprechend dem vorgesehenen Sperrvermögen gewählt werden. Als Anhalt kann gelten, daß etwa pro 1 µm Siliziumdicke 10 V Sperrspannung aufgenommen werden können, also beispielsweise von einer 200 µm dicken Scheibe 2000 V. Zur Abschirmung der vertikalen elektrischen Felder am Stegansatz z wird die Stegbreite b möglichst gering gewählt werden. Als typische Breite mag man sich etwa Breiten von 0,2 µm bis 2,0 µm vorstellen. Zur Vermeidung vertikaler Felder im Steg sollte die Steglänge l ein Vielfaches der Stegbreite betragen etwa das 3 bis 10fache. Die Tiefe kann frei gestaltet werden, abhängig von z. B. dem zu führenden Laststrom. Der Abstand zwischen zwei Stegen kann etwa zu dem 10 bis 20fachen der Stegbreite gewählt werden, und die Größe der n⁺- und p⁺-Bereiche an den Stegkontakten KA, KB sollte nicht mehr als die Stegbreite betragen. Diese Angaben sind beispielhaft und sollen nur eine konkretere Vorstellung vermitteln.

Wenn das Bauelement für eine bidirektionale Betriebsweise verwendet werden soll, empfiehlt es sich, im Randbereich die Reduktion der elektrischen Feldstärke nicht einfach durch unsymmetrisch dotierte Gebiete, zum Beispiel in Form der üblichen Systeme von Feldringen oder durch Variation des lateralen Dotierungsverlaufs, vorgenommen werden. Dagegen bieten sich Feldplatten 50 als Randabschluß an, die sich kontinuierlich vom Halbleiter wegkrümmen, wie schematisch in Fig. 3 dargestellt (siehe auch deutsche Patentanmeldung 197 52 020.0).

Das dem Bauelement zugrunde liegende Funktionsprinzip läßt sich mit verschiedenen Strukturen realisieren, die sich vor allem durch den Aufwand für die Herstellprozesse unterscheiden. Beispielsweise mögen die in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten dünnen Säulen oder langen Stege als nicht ausreichend robust erscheinen und die Kontaktierung mit den Anschlußelektroden KA, KB als sehr schwierig. Die ganze Stegstruktur kann auch in das Halbleiterkristall "abgesenkt" werden, wie in Fig. 4, 7 oder 8 dargestellt.

In den Halbleiterkörper werden dafür Gräben, im üblichen Englisch "trenchs", geätzt, so daß die gewünschten "Stege" 2', 2" stehen bleiben. Die Wände der Gräben werden mit einer Oxidschicht 20a isoliert, und anschließend werden die Gräben mit den gut leitenden Gateelektroden GA aufgefüllt. Die Gateelektrode bildet so unterhalb der Oberfläche ein zusammenhängendes Gitter oder Netz, das an einer oder mehreren Stellen zur externen Kontaktierung mit Anschlußflächen versehen wird. Diese "Trenchtechnologie" wurde für die Herstellung von Datenspeichern entwickelt und ist Stand der Technik. Die Kontaktierung der Anschlußelektroden KA, KB wird jetzt besonders einfach, weil bei auch oben mit einer Oxidschicht 20 isolierter Gateelektrode GA lediglich die Metallisierung für die Feldplatten FA, FB und Anschlußflächen KA, KB ganzflächig aufgebracht werden muß.

Auch zu dieser Struktur lassen sich weitere Modifikationen gestalten. Die Wirkung des Gates wird ja nur zum Steginnern 2, 2', 2" hin benötigt, während gegenüber dem Halbleitervolumen auf der anderen Seite oder der Unterseite nur unerwünschte Kapazität entsteht. Es könnte bei breiteren Trenchs also auf dieser von dem Steginnern abgewandten Seite die Isolierschicht wesentlich dicker ausgelegt werden. Bei noch breiteren Trenchs könnte schließlich auch die Feldplatte FA über die andere Wand bis auf den Trenchgrund geführt werden.

Eine diese Überlegung berücksichtigende Strukturvariante ist in Fig. 5 dargestellt. Diese Struktur entsteht dadurch, daß der Steg 2 von Fig. 2 halbiert und auf die isolierte Feldelektrode "umgelegt" wird. Für diese horizontal orientierte feine Struktur ist es besonders einfach, die "Stegbreite" b noch wesentlich geringer zu gestalten und das Verhältnis l/b auch ohne Überschreiten mechanischer Grenzfestigkeiten stark zu vergrößern.

Die halbierte und horizontal gelegte Strukturvariante aus Fig. 2 stellt sich in der Fig. 5 in einem abgesenkten Zustand dar. Der Steg 2 der Fig. 2 entspricht hier dem schmalen Steuerbereich 2*, der aus nicht dotiertem oder schwach dotiertem Halbleiterkristall besteht, wie der aktive Bereich 1, in den der horizontal gelegte Stegbereich 2* über den Übergangsbereich z einleitet. Der Bereich z entspricht demjenigen Fußbereich oder Stegansatzbereich z der Fig. 2. Die in das Halbleiterkristall 1 im aktiven Bereich abgesenkte Feldplatte FA hat eine winkelförmige Gestalt und schließt an die auf der Oberfläche liegende Feldplatte links in der Fig. 5 leitend an. Der lange Schenkel der winkelförmigen Erstreckung ist in seiner Länge l um ein vielfaches länger, als die verbleibende Dicke des Steuerbereiche 2*, die mit b bezeichnet ist. Die abgesenkte, winkelförmig in ihrem linken Randbereich ausgebildete Feldplatte FA ist über eine horizontal liegende Isolierschicht 20b beidseitig gegenüber dem Halbleiterkristall isoliert. Auf der gegenüberliegenden Seite, also der Oberfläche der feinen Struktur 12, die in Fig. 5 dargestellt ist, ist eine MOS-Struktur ausgebildet, bestehend aus dem Gateanschluß GA, der horizontalen Isolierschicht 20 auf der Oberfläche des Kristalls 1 und dem steuernden Stegbereich 2*. Mit der MOS- Anordnung wird das Fluten und Abziehen von Ladungsträgern im Übergangsbereich z, abhängig von der Steuerspannung gegenüber der Anschlußelektrode KA gesteuert. Die Steuerung der Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) ist entsprechend den vorgenannten Ausführungsbeispielen und soll hier nicht gesondert erläutert werden. In dem Winkelbereich, nahe der Anschlußfläche KA ist die hochdotierte Zone 3a, 4a vorgesehen, die sich in Längsrichtung I der feinen Struktur 12 nur wenig erstreckt.

Trotz wesentlich schmäler gestaltbarem Steuerbereich 2* ist die mechanische Festigkeit der nach Fig. 5 aufgebauten feinen Struktur 12 erheblich.

Das Konzept, ohne pn-Übergänge zu sperren, kann auch genutzt werden, um hochsperrende Schalter herzustellen, die über externe niedrigsperrende Schalter gesteuert werden, sogenannte "Kaskodenanordnungen". Das Schema einer solchen Struktur in Trenchtechnologie ist für die Seite "A" in Fig. 6 dargestellt. Die Trenches sind mit einem Isolator 60, wie Glas, gefüllt. Die Struktur auf der anderen Seite "B" ist wieder symmetrisch zu denken. Es sind jetzt jeweils zwei Stege 2* dicht beieinander, von denen einer n+-dotiert und über eine Anschlußfläche KnA und einen externen Schalter SnA mit der Feldplatte FA verbunden ist und der zweite p+-dotiert und über eine Anschlußfläche KpA und einen zweiten externen Schalter SpA mit der Feldplatte FA der Seite "A" verbunden ist. Liegt wieder an der Feldplatte FA gegenüber der anderen Seite "B" positives Potential an, so sind zum Sperren jetzt die gegenüberliegenden Schalter SnA und SpB zu schließen und die gegenüberliegenden Schalter SpA und SnB zu öffnen, wie in der Fig. 6a gezeigt. Das Potential eines offenen Anschlusses (KpA und KnB) wird jetzt gegenüber der zugehörigen Feldplatte etwas in Richtung auf das der gegenüberliegenden Seite verschoben. Es kann nie in anderer Richtung verschoben werden wie bei den MOS-Gates. Daher sind hier zwei separate Anschlüsse für den n⁺- und den p⁺-Kontakt vorgeschlagen.

Innerhalb des Hauptkristalls findet derselbe Ladungsträgertransport statt, wie gem. Fig. 2. Die Veranlassung geschieht hier nicht durch integrierte MOS-Strukturen, sondern durch die externen MOS-Elemente. Sie bestimmen den Ladungsträger-Typ, der in dem jeweiligen Übergangsbereich z in seiner Konzentration gesteuert wird.

Die externen Schalter können niedrigsperrende MOSFET's sein, die allerdings den gesamten Strom des bidirektionalen Schalters führen können müssen. Im Durchlaßbetrieb sind entsprechend die Schalter SpA und SnB zu schließen und die Schalter SnA und SpB zu öffnen. Durch gleichzeitiges Schließen aller Schalter kann ein teilweises Entladen erreicht werden.

Das Konzept ohne pn-Übergang gesteuert zu sperren ist auch für andere Bauelemente vorteilhaft einsetzbar. Soll beispielsweise ein Bauelement nur in einer Richtung gesteuert schalten, so reicht es aus, die Struktur gemäß der Erfindung auch nur auf einer Seite anzubringen und die andere Seite mit der entsprechenden - für den Durchlaßbetrieb Ladungsträger liefernden - Dotierung zu versehen. Die Struktur eines derartigen IGBT-ähnlichen Bauelements ist in Fig. 7 dargestellt. Das Bauelement ist MOS-steuerbar und weist einen besonders günstigen sicheren Arbeitsbereich auf, weil die Stromfilamentierung vermieden wird. Dargestellt ist die Struktur gemäß Fig. 4, jede andere Ausführungsform der feinen Struktur könnte aber ebenso angewendet werden.

Die Fig. 8 und 8a zeigen eine Aufsicht einer Ausführung, bei der bidirektionale Schalter mit den feinen Strukturen 14 als ein laterales Bauelement ausgebildet ist. Ein Schnitt entlang der Ebene I-I ist in Fig. 8a dargestellt, beide Figuren sollen gleichzeitig beschrieben werden. Lateral bedeutet, daß alle Anschlüsse auf derselben Seite liegen. Die bislang als gegenüberliegende Seiten A und B beschriebenen beiden Oberflächen des Kristallbereiches liegen hier nebeneinander und sind in beiden Figuren mittig geschnitten, so daß nur der linke und der rechte Bereich erkennbar ist. Der Herstellaufwand erleichtert sich durch einen solchen lateralen Aufbau, die Photolithographie wird nur auf einer Oberfläche benötigt, und auf der anderen Seite dient ein Dielektrikum 70 zur Isolation des nicht oder nur schwach dotierten Halbleiterkristalls i, dessen aktiver Bereich 1 der gesamte Bereich oberhalb der Isolierschicht 70 ist. Eine solche Struktur wird SOI - Silicon on Insulator - genannt.

In einer beispielhaften Ausführung kann diese Struktur von der A-Seite zur B-Seite ein Ausmaß von etwa 100 µm annehmen, abhängig von der aufzunehmenden Sperrspannung oder Blockierspannung.

In der Fig. 8 sind die Anschlußflächen KA und KB teilweise weggebrochen dargestellt, um die Dotierungsbereiche 3a, 4a aufzuzeigen, die bereits in Fig. 1 und 2 erläutert wurden. Auch die Trenchstrukturen GA, 20a sind bereits anhand der Fig. 4 erläutert worden. Die Form der in Trenchstruktur gestalteten MOS-Strukturen ist gegenüber der Fig. 4 anders; es sind hier langovale Strukturen gewählt worden, die aufgereiht mit ihren Längsseiten zueinander weisend eine Reihe bilden, die Stege 2' zwischen sich jeweils bilden, in denen schwach dotierter oder nicht dotierter Halbleiterkristall vorliegt, an welchen Stellen die Stegstrukturen ausgebildet sind, die anhand der vorigen Figuren jeweils mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet worden sind.

An der jeweiligen streifenförmigen Ausbildung, die schmal gegenüber ihrer Höhe ist, wie die Fig. 8 zeigt, sind beidseitig MOS-Strukturen vorgesehen, jeweils ein Trenchgate GA mit einer es gegenüber den Umgebungsbereich isolierenden Schicht 20a.

Die Steuerung über die MOS-Strukturen erfolgt analog den vorhergehenden Figuren. Die hochdotierten Bereiche 3a, 4a erlauben es, gesteuert über die abgesenkten Stegstrukturen, die zwischen den aufgereihten Trenchgates hindurch verlaufen, den Kristall entweder von Ladungsträgern zu räumen, oder Ladungsträger in den Kristall zu injizieren, abhängig von dem per Steuerung gewünschten Betriebszustand des lateralen Schalters.

Es versteht sich, daß die der Fig. 8 nicht eingezeichnete leitfähige Verbindung zwischen den einzelnen Trenchgates GA bzw. auf der anderen Lateralseite GB bei einem funktionsfähigen Schalter vorhanden sind. Sie sind hier der Übersichtlichkeit wegen fortgelassen, ebenso wie die teilweise weggebrochen dargestellte Kontaktmetallisierung oberhalb der sich abwechselnden n⁺- und p⁺-Gebiete auf der Außenseite der jeweiligen Reihe von Trenchgates. Auf der Innenseite der jeweiligen Reihe von Trenchgates liegt das nicht oder schwach dotierte Halbleiterkristall zur Aufnahme der Sperrspannung oder Blockierspannung.

Claims (19)

1. Halbleiterschalter aus einem undotierten oder nur sehr schwach dotierten Halbleiterkristall zum Schalten von Strömen in zumindest einer, bevorzugt in beiden Richtungen bei höheren bis hohen Spannungen deutlich oberhalb von Betriebsspannungen von Gatterschaltungen,
mit einem aktiven Bereich (1) und einem Randbereich (50, 51),
wobei zumindest eine, insbesondere beide gegenüberliegenden Oberflächen des aktiven Bereichs (1) des Halbleiterschalters mit großflächig verteilten, feinen Strukturen (10, 11, 12, 13, 14) versehen sind, die im wesentlichen gleich ausgebildet sind, wobei sie jeweils eine leitfähige Anschlußfläche (KA, KB) aufweisen, durch die Ladungsträger über die großflächig verteilten feinen Strukturen gesteuert (GA, GB) in den aktiven Bereich (1) des Halbleiterkristalls hinein bewegbar sind, zur Steuerung einer Konzentration der Ladungsträger im aktiven Bereich (1) und damit des Einschaltzustandes des Halbleiterschalters.

2. Halbleiterschalter aus einem undotierten oder nur sehr schwach dotierten Halbleiterkristall zum Schalten von Strömen in zumindest einer, bevorzugt in beiden Richtungen bei höheren bis hohen Spannungen deutlich oberhalb von Betriebsspannungen von Gatterschaltungen,
mit einem aktiven Bereich (1) und einem Randbereich (50, 51),
wobei zumindest eine, insbesondere beide gegenüberliegenden Oberflächen des aktiven Bereichs (1) mit großflächig verteilten, feinen Strukturen (10, 11, 12, 13, 14) versehen sind, die im wesentlichen gleich ausgebildet sind, wobei sie jeweils eine leitfähige Anschlußfläche (KA, KB) aufweisen, durch die Ladungsträger über die großflächig verteilten feinen Strukturen gesteuert (GA, GB) aus dem aktiven Bereich (1) des Halbleiterkristalls herausbewegbar sind, zur Steuerung einer Konzentration der Ladungsträger im aktiven Bereich (1) und damit des Abschaltzustandes des Halbleiterschalters.

3. Halbleiterschalter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die übrige Oberfläche des aktiven Bereichs (1), insbesondere innerhalb des nicht von den feinen Strukturen (10, 11, 12, 13, 14) eingenommenen Teilbereichs, isoliert (20,21) auf dem Halbleiterkristall aufgebrachte innere Feldplatten (FA; FB) trägt, die mit den Anschlußflächen (KA, KB) an den feinen Strukturen - insbesondere auf gegenüberliegenden Oberflächen des aktiven Bereichs gesondert - leitfähig verbunden sind, zur Ausbildung von zwei Hauptanschlußflächen für die zu sperrende Spannung oder den zu schaltenden Strom.

4. Halbleiterschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feinen Strukturen zum injizierenden oder extrahierenden Steuern der Ladungsträger aus im wesentlichen im gleichmäßigem Abstand voneinander angebrachten erhabenen Säulen oder länglichen Stegen (10) bestehen und mit einer seitlich angebrachten MOS-Struktur (GA, 20, 2; GA, 20, 2*; GB, 20, 2) versehen sind, zur Steuerung der Ladungsträgerkonzentration im Übergangsbereich (z) von einer jeweiligen feinen Struktur zu dem undotierten oder nur schwach dotierten Halbleiterkristall im aktiven Bereich (1) des Schalters.

5. Halbleiterschalter nach Anspruch 1, 2 oder 4, bei dem die Steuerung der Ladungsträgerkonzentration im Übergangsbereich (z) von den feinen Strukturen zu dem übrigen aktiven Bereich veranlaßt ist

• a) von einer Steuerung der Konzentration von ersten Ladungsträgern in den feinen Strukturen der einen Anschlußseite (A) und
• b) von der gleichzeitigen Steuerung von komplementären zweiten Ladungsträgern in den feinen Strukturen der anderen Anschlußseite (B).

6. Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feinen Strukturen aus länglichen Stegen oder Säulen (11) bestehen, die in den Halbleiterkristall abgesenkt Gateelektroden auf jeder ihrer Seiten aufweisen (GA, 20a), zur Ausbildung einer abgesenkten MOS-Struktur.

7. Halbleiterschalter nach Anspruch 6, wobei innere Feldplatten (FA; FB) und die leitenden Anschlußflächen (KA; KB) eine im wesentlichen glatte Fläche bilden, oberhalb der abgesenkten MOS-Strukturen.

8. Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feinen Strukturen (12) sich parallel zur Oberfläche des Halbleiterkristalls erstrecken, wobei eine beidseitig isolierte Feldplatte (20b, FA) von der Oberfläche ausgehend in den Halbleiterkristall abgesenkt ist.

9. Halbleiterschalter nach Anspruch 7, bei dem zwischen der abgesenkten Feldplatte (FA) und der Oberfläche des Halbleiterkristalls ein schmaler (b) aber langer (l) Steuerbereich (2*) gebildet ist.

10. Halbleiterschalter nach Anspruch 9 oder 8, der nur auf der nach außen weisenden Seite des schmalen Steuerbereichs (2*) eine MOS-Struktur aufweist (2*, 20, GA).

11. Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feinen Strukturen (10) an ihren vom Übergangsbereich (z) zum Kristallbereich (1) entfernten Enden zur Kontaktierung insbesondere abwechselnd Bereiche mit n⁺- und p⁺-Dotierung aufweisen (3, 4; 3a, 4a), die über die gemeinsame Anschlussfläche (KA; KB) miteinander leitfähig verbunden sind.

12. Halbleiterschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feinen Strukturen (13) keine MOS-Struktur aufweisen und jeweils ein Paar davon eng benachbart angeordnet ist, wobei das je eine Paar einen n⁺-Bereich mit einer ersten Elektrode (KnA) bzw. einen p⁺-Bereich mit einer zweiten Elektrode (KpA) besitzt, zur Leitung eines Elektronenstroms bzw. Löcherstroms, und dieses Strukturenpaar über externe steuerbare Zusatzschalter (SnA; SpA) mit der Anschlußelektrode (FA) auf derselben Oberfläche verbunden ist (Fig. 6).

13. Halbleiterschalter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Oberfläche außerhalb des aktiven Bereichs (1) isoliert (51) auf dem Halbleiterkristall aufgebrachte äußere Feldplatten (50) trägt, die mit den Anschlußflächen (KA, KB) der feinen Strukturen (10, 11, 12, 13, 14) oder den inneren Feldplatten (FA; FB) leitfähig verbunden sind.

14. Halbleiterschalter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Randabschluß im Randbereich die inneren Feldplatten (FA, FB) auf einer zum Rand kontinuierlich dicker werdenden Isolatorschicht (51) fortgesetzt werden (50) und leitend mit einer Abschirmelektrode (52) verbunden sind, die über den Halbleiterkristall hinausragt und von ihm weg gekrümmt (konvex) verläuft (52a).

15. Halbleiterschalter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem beide Anschlußflächen (KA, KB) mit ihren feinen Strukturen (14) auf derselben Oberfläche des Halbleiterkristalls angebracht sind und die gegenüberliegende Oberfläche isoliert (70) ist.

16. Halbleiterschalter nach Anspruch 1, 2 oder 18 bei dem die feinen Strukturen (10, 11) aus schwach oder nicht dotiertem Halbleitermaterial bestehen, deren Länge ein Vielfaches ihrer Breite (b) ist.

17. Halbleiterschalter nach Anspruch 1, 2 oder 18 bei dem die feinen Strukturen im wesentlichen gleichmäßig verteilt angeordnet sind, insbesondere in einem Abstand, der in mindestens einer Richtung der Oberfläche ein Vielfaches ihrer Erstreckung in dieser Richtung ist.

18. Halbleiterschalter aus einem undotierten oder nur sehr schwach dotierten Halbleiterkristall zum Schalten von Strömen in zumindest einer, bevorzugt in beiden Richtungen bei höheren bis hohen Spannungen deutlich oberhalb von Betriebsspannungen von Gatterschaltungen,
mit einem aktiven Bereich (1) und einem Randbereich (50, 51),
wobei der Halbleiterschalter im aktiven Bereich (1) oberflächennah auf zumindest einer - insbesondere zwei gegenüberliegenden - Oberflächen des aktiven Bereichs (1) eine Vielzahl großflächig verteilte feine Strukturen (10, 11, 12, 13, 14) aufweist, die im wesentlichen gleich ausgebildet sind, wobei sie jeweils eine leitfähige Anschlußfläche (KA, KB) zur Aufnahme oder Abgabe von Ladungsträgern aufweisen, die über die großflächig verteilten feinen Strukturen über zugehörige leitende Steuerflächen (GA, GB) zum oder vom aktiven Bereich (1) des Halbleiterkristalls steuerbar sind.

19. Halbleiterelement aus einem Halbleiterkristall zum Schalten von Strömen in zumindest einer Stromrichtung bei Spannungen größer 50 V

• a) mit einem p⁺-Emitter (80) und einer daran angrenzenden n-Stopschicht (81) auf der Anodenseite (A), wobei er im übrigen Volumen zur Kathodenseite (B) undotiert oder nur sehr schwach dotiert ist; wobei
• b) der Halbleiterkristall einen aktiven Bereich (1) aufweist, der auf der Kathodenseite (B) mit feinen, etwa gleichmäßig verteilten Strukturen (11) versehen ist, und in dem nicht von den feinen Strukturen eingenommenen Bereich mit einer isoliert aufgebrachten Feldplatte (FA) versehen ist, die leitend mit einer Anschlußelektrode (K) auf der Kathodenseite (B) verbunden ist;
• c) die feinen Strukturen leitende Steuerflächen (GA) aufweisen, über die sowohl Elektronen als auch Löcher in den aktiven Bereich (z, 1) potentialgesteuert hineinbewegbar und herausbewegbar sind, zur Steuerung der Dotierung des undotierten oder nur schwach dotierten Volumens, insbesondere nahe der feinen Strukturen, abhängig von dem Potential an den Steuerflächen (GA) gegenüber der Anschlußfläche (K).