EP1177576A2 - Integrated semiconductor device with one lateral power gate - Google Patents

Integrated semiconductor device with one lateral power gate

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EP1177576A2
EP1177576A2 EP00926684A EP00926684A EP1177576A2 EP 1177576 A2 EP1177576 A2 EP 1177576A2 EP 00926684 A EP00926684 A EP 00926684A EP 00926684 A EP00926684 A EP 00926684A EP 1177576 A2 EP1177576 A2 EP 1177576A2
Authority
EP
European Patent Office
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semiconductor device
semiconductor layer
substrate
lateral
mosfet
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00926684A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Benno Weis
Dethard Peters
Heinz Mitlehner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SiCED Electronics Development GmbH and Co KG
Original Assignee
SiCED Electronics Development GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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    • H01L29/20—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds

Definitions

  • Integrated semiconductor device with a lateral power element Integrated semiconductor device with a lateral power element
  • the invention relates to a semiconductor device with at least one lateral power element.
  • a semiconductor device with a power element is currently used in various embodiments, inter alia in the field of converter technology.
  • a converter With the help of a converter, electrical energy is converted according to the needs of a consumer to be supplied. For this reason, a converter is also referred to as a converter.
  • Other names used for special forms are inverters or rectifiers.
  • the semiconductor device used in each case then comprises a switchable thyristor (GTO thyristor), an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) or a MOS-controlled thyristor (MCT) as the switching power element ).
  • GTO thyristor switchable thyristor
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
  • MCT MOS-controlled thyristor
  • a converter requires, among other things, a high reverse voltage, a high forward current, a high switching frequency, a low power loss (waste heat), a high level of reliability and a low outlay for the assembly and connection technology.
  • the most compact form of a converter can be achieved with an integrated structure in which all power elements and all other components such as Free-wheeling diodes, control, monitoring and protection devices are arranged on a single substrate.
  • Such a converter integrated in silicon (Si) is described in "MOS components in power electronics", F. Schörlin, 1997, pages ten to 187. Such a converter ter is also referred to as ⁇ smart power "known.
  • silicon power converters various digital and analog Kleinsi- gnalfunktionen as a protection against over-temperature, overload, overvoltage, short circuit, reverse polarity and a
  • the semiconductor device contains several MOSFETs as power elements. Due to the otherwise very high switch-on resistance, the large area requirement and the high static losses, the integrated silicon MOSFETs are usually only for a maximum permissible reverse voltage in the range between 5 V and 50 V designed.
  • the larger storage charge compared to the conditions in a MOSFET is due here to the bipolar mechanism that occurs in an IGBT.
  • the integrated freewheeling diode also causes due to the material properties of of silicon a relatively high storage of charge carriers at the pn junction of the freewheeling diode.
  • DE 196 38 620 AI discloses a non-integrated converter in hybrid construction technology.
  • a high-blocking and fast-switching Schottky diode made of silicon carbide (SiC) is used as the freewheeling diode.
  • SiC silicon carbide
  • the disclosed MOSFET is characterized by a particularly high reverse voltage resistance.
  • a reverse voltage of approximately 2.6 kV is specified for room temperature. In the on state, however, the MOSFET has a high resistance, which increases the power loss.
  • the disclosed lateral MOSFET is not suitable for integration.
  • No. 5,710,455 discloses a further lateral SiC MOSFET for voltages between 600 V and 1200 V.
  • the lateral, ie lateral, isolation of the lateral SiC-MOSFET takes place via a pn junction. If the temperature of the disclosed lateral SiC-MOSFET now increases, for example as a result of a high forward current, an undesirably high leakage current can occur at the pn junction used for the lateral insulation. Furthermore, the storage charge zone of the pn junction in be reloaded every switching cycle. This results in a limitation of the switching speed that can be achieved.
  • the invention is based on the object of specifying an integrable semiconductor device which is also suitable for a reverse voltage of more than 600 V and a switching frequency of more than 20 kHz.
  • the semiconductor device should have a small footprint in order to facilitate integration.
  • a semiconductor device with at least one lateral power element is specified according to the features of claim 1.
  • At least one lateral power element is arranged within a semiconductor layer made of a semiconductor material with a bandgap of at least 2 eV and at least partially limited laterally by a trench in the semiconductor layer.
  • the semiconductor layer is arranged on a substrate with a greater thermal conductivity than that of silicon and is electrically insulated from a substrate surface facing away from the semiconductor layer.
  • the invention is based on the knowledge that a semiconductor device can still be implemented in integrated technology even if a demand for a high reverse voltage (> 600 V) and a high switching frequency (> 20 kHz).
  • a semiconductor material with a high band gap in particular with a band gap that is at least 2 eV.
  • This semiconductor material then inherently has a significantly higher dielectric strength than the silicon previously used for an integrated structure. Due to the higher band gap and the associated higher breakthrough field strength, the geometric dimension can also be smaller than that of a comparable one Silicon semiconductor device can be selected. This in turn helps integration.
  • an integrable semiconductor device based on silicon which as a power element e.g. contains a MOSFET, is also limited to a maximum permissible reverse voltage of about 50 V because only a relatively small amount of heat can be dissipated in silicon.
  • This limited thermal conductivity now also limits the maximum permissible voltage, since the transmission losses and thus the amount of heat to be dissipated increase with increasing voltage.
  • the substrate of the semiconductor device according to the invention advantageously comprises a material with a higher thermal conductivity than that of silicon. The heat can then be safely dissipated via the substrate.
  • the semiconductor device contains a power element with a lateral structure.
  • the forward current flows essentially parallel to a direction running within the substrate surface, that is to say in the lateral or lateral direction.
  • the current flows essentially perpendicular to the substrate surface, that is to say in the vertical direction.
  • Electrical connections via which the current is introduced into a vertical semiconductor device and out of it again, are then located on sides of the semiconductor device facing away from one another. In contrast, in the case of a lateral structure, these connections are on the same side of the semiconductor device. This is favorable for integration, since there is no through-plating through the substrate.
  • this substrate surface can be mechanically connected to another body, for example a housing wall or a heat sink, without additional safety precautions.
  • the electrical insulation ensures that there is no impermissibly high voltage on the adjacent body.
  • the trench in the active semiconductor layer is provided for the lateral (lateral) electrical insulation of the lateral power element.
  • the trench delimits the power element laterally.
  • this also provides additional electrical insulation with a lateral direction of action. Thanks to this all-round insulation of the power element, it is then also possible to allow different potentials in different areas on the substrate. Mutual influence or even a rollover between such areas with different potential is reliably prevented by the insulation described in the lateral and vertical directions. This is another important property with regard to the ability to integrate.
  • a trench has a significantly lower capacitance compared to the lateral insulation used in the prior art via a pn junction, so that a higher switching frequency is possible.
  • single-crystalline silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN) or diamond is provided as the semiconducting material for the semiconductor layer within which the lateral power element is arranged.
  • the semiconductor layer contains such a material or it consists of such a material. All of the semiconductors mentioned have a very high band gap and are therefore very well suited for a semiconductor device, since high reverse voltage strength is one of the main requirements for the semiconductor device.
  • An embodiment is particularly advantageous in which single-crystal SiC of 6H or for the active semiconductor layer
  • 15R polytype is provided, the semiconductor layer again only containing such a polytype or also consisting entirely of such a polytype.
  • Both of the above-mentioned poly types have both high lateral mobility and high inversion channel mobility.
  • a power element designed as a lateral MOSFET e.g. due to the first-mentioned mobility the forward resistance in a lateral drift area and due to the second-mentioned mobility the resistance in a channel area.
  • These mobilities are significantly higher with 6H and 15R SiC than with other polytypes of SiC, in particular also with the 4H polytype.
  • a high switching speed of the semiconductor device can also be achieved with a high charge carrier mobility.
  • all other SiC poly types, such as also 3C-SiC, suitable. 4H-SiC with a correspondingly improved interface conductivity or improved inversion channel mobility is also a material which is in principle suitable for the semiconductor layer.
  • the substrate contains silicon carbide or aluminum nitride (A1N).
  • A1N silicon carbide or aluminum nitride
  • the substrate consists only of SiC or AlN.
  • SiC has a thermal conductivity of 2.3 to 4.9 Wcm -1 K _1 .
  • the thermal conductivity of silicon is only 1.5 This results in a significantly improved heat transport through the substrate if SiC instead of Si is used as the substrate material.
  • the combination of an SiC semiconductor layer and an SiC substrate is particularly advantageous with regard to the application of the active semiconductor layer, for example via an epitaxy process.
  • GaN semiconductor layer is AlN more suitable as substrate material, since the respective lattice constants of GaN and AlN differ only slightly.
  • An embodiment is advantageous in which a substrate made of semi-insulating silicon carbide is provided.
  • the substrate can consist entirely of semi-insulating SiC or can only contain semi-insulating SiC, for example in a full-area layer.
  • a material is generally said to be semi-insulating when its resistivity is between about 10 5 ⁇ cm and about 10 10 ⁇ cm. From a specific resistance of around 10 13 ⁇ cm, one would then call it isolating. In the present case, semi-insulating behavior is completely sufficient for the degree of electrical separation required here between the semiconductor layer and the substrate surface facing away from the semiconductor layer.
  • semi-insulating SiC also offers the required electrical insulation in the vertical direction.
  • this electrical insulation is ensured by a pn junction arranged between the active semiconductor layer and the substrate.
  • a weakly p- or n-conducting semiconductor material can then be used for the substrate.
  • An additional semiconducting intermediate layer with a higher doping than that of the substrate is then advantageously arranged on the substrate surface facing the semiconductor layer. The electrically insulating pn junction is formed between this intermediate layer and the active semiconductor layer arranged thereon.
  • a semiconductor device realized in SiC offers the advantage of a very high thermal conductivity both in the vertical direction via the SiC substrate and in the lateral direction via the SiC semiconductor layer.
  • the Si0 2 layers or areas often used in a semiconductor device realized in silicon for vertical and lateral insulation have a significantly poorer thermal conductivity. Therefore, a SiC semiconductor device can also carry a significantly higher current than its silicon counterpart. The heat loss caused by the current is easier to dissipate via the SiC.
  • the trench is at least so deep that it completely cuts through the active semiconductor layer.
  • the lateral electrical insulation is then particularly effective.
  • the thickness of the active semiconductor layer is usually between approximately 2 and 10 ⁇ m. The chosen thickness essentially depends on the required forward current.
  • the lateral electrical insulation is further improved if a dielectric insulation layer, for example made of an oxide or a polyimide, is provided at the edges of the trench.
  • the trench preferably runs as a closed ring around the lateral field effect transistor.
  • the trench effects electrical insulation of a power element from an adjacent power element.
  • the trench is interrupted between two adjacent power elements, for example between two adjacent lateral field effect transistors.
  • two adjacent power elements for example between two adjacent lateral field effect transistors.
  • the power element is designed as a transistor, in particular as a field effect transistor (FET) or as an IGBT, as a diode, in particular a pn or Schottky diode, or as a thyristor.
  • FET field effect transistor
  • IGBT IGBT
  • diode in particular a pn or Schottky diode
  • thyristor a transistor that is designed as a transistor, in particular as a field effect transistor (FET) or as an IGBT, as a diode, in particular a pn or Schottky diode, or as a thyristor.
  • MOSFETs is particularly advantageous.
  • the semiconductor device in the associated embodiment then represents a semiconductor switch.
  • MOSFET MOSFET
  • the use of a MOSFET is particularly advantageous.
  • the high band gap of the semiconductor material used enables the use of a field effect transistor as a power element even with the required high reverse voltages.
  • the IGBT used with a blocking voltage of a few 100 V in silicon technology is then not necessary. However, this also eliminates the limitation of the switching speed caused by the bipolar mechanism used in the IGBT.
  • An embodiment in which the MOSFET has an inverse diode as an integral part is particularly favorable.
  • This inverse diode can then advantageously be used as a freewheeling diode. This reduces the space requirement, since no space is occupied on the substrate by a separate freewheeling diode. By eliminating the speed-limiting wiring of a separate freewheeling diode, a higher switching frequency is also made possible.
  • a MOSFET also has a very low resistivity and, unlike another power switching element such as an IGBT, a GTO or a thyristor in the on state no loss-causing threshold voltage.
  • an interconnection of four or six lateral field effect transistors to form a two-phase or three-phase converter is provided.
  • a self-locking power switching element in particular a self-locking MOSFET, is particularly well suited for use in such a converter.
  • the converter is integrated on a single substrate. It also has a comparatively small number of individual components, since the lateral field-effect transistors, via their inverse diodes, also fulfill the function of the freewheeling diodes required for a converter.
  • the converter can be designed for a reverse voltage of 600 V, 1000 V, 1200 V or 1800 V.
  • the switching frequency is up to 100 kHz, for example.
  • the switching frequency can be chosen so high that the acoustic noises generated during the switching process lie in a frequency range which is no longer perceived by the human ear.
  • the high switching frequency enables the integrated converter to be used very flexibly.
  • Another embodiment is advantageous in which, in addition to the power element, there is at least one further component that implements a small signal function on the substrate.
  • a control function or a monitoring function for the power element or for a converter can also be integrated on the substrate by means of this further component.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a semiconductor device with a lateral MOSFET
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a semiconductor device with a lateral MOSFET
  • FIG. 3 shows a plan view of the exemplary embodiments of the semiconductor device from FIGS. 1 and 2
  • FIG. 4 shows a two-phase converter with four integrated MOSFETs
  • FIG. 5 shows a three-phase converter with six integrated ones
  • FIG. 6 shows a top view of the three-phase converter from FIG. 5.
  • the semiconductor device 100 contains a semi-insulating SiC substrate 10 with a first and a second substrate surface 11 or 12.
  • An epitaxially grown, weakly n-conducting semiconductor layer 20 made of single-crystal SiC is arranged on the second substrate surface 12.
  • the active semiconductor layer 20 has a basic doping of approximately 1.3-10 16 cm -3 and is typically 5 ⁇ m thick.
  • the semi-insulating behavior of the substrate 10 ensures that the semiconductor layer 20 is completely sufficiently insulated from the first substrate surface 11 for the present application.
  • the lateral MOSFET 50 is arranged within the semiconductor layer 20. It borders on a main surface 21 of the semiconductor layer 20 on. The structure and the mode of operation of the lateral MOSFET 50 are described in more detail below.
  • Two strongly n-conducting drain contact regions 521 are spaced apart from a p-conducting base region 513 by a drift region 544 lying within the semiconductor layer 20. Within the base region 513 there are two strongly n-conducting source contact regions 511, between which a heavily p-doped base contact region 512 is arranged.
  • the n-type regions are produced by ion implantation of nitrogen, the p-type regions by ion implantation of boron or aluminum.
  • a metallic drain electrode 52 makes ohmic contact with the drain contact regions 521.
  • the source contact regions 511 and the base contact region 512 are contacted ohmically by a common, likewise metallic source electrode 51.
  • the source contact regions 511 and the base contact region 512 are thus electrically short-circuited.
  • channel areas 514 within the base area 513, the doping concentration of which is approximately 1.3-10 17 cm -3 .
  • An electrical current fed into the lateral MOSFET 50 via the drain electrodes 52 and led out again via the source electrode 51 can be controlled by a targeted influencing of resistance within the channel regions 514.
  • gate electrodes 53 are arranged in an electrically insulated manner above the channel regions 514 to be controlled.
  • a gate insulation layer 531 which is applied between the channel regions 514 and the gate electrodes 53 on the main surface 21 ensures the required electrical insulation.
  • a material that is particularly suitable for this gate insulation layer 531 is thermally cal silica (Si0 2 ).
  • the gate electrodes 53 are made of polysilicon, for example.
  • the drain electrodes 52, the source electrode 51 and the gate electrodes 53 are electrically insulated from one another by a first dielectric insulation layer 54 applied to the main surface 21.
  • This insulation layer 54 consists of an oxide layer which is thick compared to the gate insulation layer 531. This contains, for example, SiO 2 , which can be produced by thermal oxidation of polysilicon or simply by a CVD (Chemical Vapor Deposition) - or a plasma deposition process.
  • Another dielectric material, such as polyimide is, however, equally well suited for the insulation layer 54.
  • the lateral MOSFET 50 shown in FIG. 1 is designed for reverse voltage of up to 1200 V and has a width of only about 40 ⁇ m. In contrast, a comparable Si-MOSFET would have a width of 220 ⁇ m. In SiC, the semiconductor device 100 can thus be implemented with a significantly smaller space requirement.
  • the drift region 544 is approximately 10 ⁇ m long and the channel region 514 is approximately 1.5 ⁇ m long.
  • 6H-SiC is provided for the active semiconductor layer 20, a (0001) plane of the 6H-SiC single crystal essentially coinciding with the main surface 21. Any misorientation of the substrate 10, for example 3 °, intended for the epitaxial growth of the semiconductor layer 20 does not play a role in this context.
  • the crystal orientation is particularly advantageous in combination with the lateral structure shown in FIG. 1.
  • the channel mobility of 6H-SiC is significantly higher than that of the 4H polytype, and on the other hand, the lateral mobility of the 6H-polytype exceeds the vertical by a factor of 4.8.
  • current flows through the MOSFET 50 in the lateral direction this results in a low forward resistance in the drift region 544. All in all, this results in a total resistance of approximately 4.2 ⁇ mm 2 determined by the channel region 514 and the drift region 544 in the on state.
  • the channel regions 514 can be switched back and forth between a blocking and a conductive state via a corresponding potential at the gate electrodes 53. Since the lateral MOSFET 50 is a normally-off switching element, the switchover to the blocking state takes place at a zero potential present at the gate electrode 53. In the blocking state, the lateral MOSFET 50 is able to block a voltage of up to 1200 V between the drain electrodes 52 and the source electrode 51.
  • the path across the base contact region 512, the base region 513, the semiconductor layer 20 and the drain contact region 521 comprises a pn junction which is polarized in the reverse direction of the MOSFET 50.
  • the diode associated with this pn junction is also referred to as an inverse diode. It is an integral part of the lateral MOSFET 50 and can be switched on via a voltage present between the drain electrode 52 and the source electrode 51 in the reverse direction.
  • the threshold voltage of this inverse diode is about 3 V, a typical value for SiC.
  • the inverse diode can be incorporated particularly advantageously into the functioning of the semiconductor device 100. If, for example, the actual lateral MOSFET 50 is switched into the blocking state by a corresponding potential at the gate electrode 53 and, at the same time, the external circuitry (not shown in FIG. 1) requires a current in the reverse direction via the semiconductor device 100, this current can be supplied via the inverse diode be performed. In this case, the current commutates from the actual lateral MOSFET 50 to the inverse diode.
  • the inverse diode acts in this case as a freewheeling diode.
  • the inverse diode can also carry approximately the same current strength as the actual lateral MOSFET 50.
  • the integrated freewheeling diode achieves a reduction in the required substrate area by up to 75%. This corresponds to a reduction in expansion in any lateral direction by a factor of up to 2.
  • the integral inverse diode also fulfills the requirements for e.g. freewheeling diode operated in a converter circuit. So in reverse operation, i.e. at in
  • the semiconductor device 100 can be operated with a very high switching frequency up to the order of magnitude of at least 100 kHz.
  • the lateral MOSFET 50 also comprises a parasitic bipolar transistor which is formed by the source contact region 511, the base region 513 and the semiconductor layer 20. To turn on this parasitic bipolar trans- To prevent interference, the area below the source contact region 511 may contain a higher p-doping than the rest of the base contact region 513. This higher p-doping is not shown in FIG. In connection with this measure, it is also said that the latch-up strength is improved.
  • a trench 30 is provided on the lateral edges of the lateral MOSFET 50 for electrical insulation. This trench 30 is so deep that it extends beyond the semiconductor layer 20 into the semi-insulating SiC substrate 10.
  • the trench 30 is covered at its edges with a second dielectric insulation layer 31.
  • the second dielectric insulation layer 31 can consist of SiO 2 .
  • any other dielectric material, such as polyimide, is also possible here.
  • the lateral MOSFET 50 shown in FIG. 1 thus fulfills all the requirements for integrating a plurality of such lateral MOSFETs 50 on a single substrate 10.
  • the electrical insulation from the first substrate surface 11 is ensured by the semi-insulating SiC substrate 10 itself. Electrical insulation from neighboring components, e.g. a further lateral MOSFET 50 results from the trench 30. Because of the high thermal conductivity of SiC, the waste heat caused by losses is reliably dissipated via the substrate 10. This is still guaranteed if several, e.g. to increase the current carrying capacity, parallel-connected MOSFETs 50 are integrated on a substrate 10.
  • Semiconductor device 110 shown with a lateral MOSFET 50 In contrast to the exemplary embodiment in FIG. 1
  • the semiconductor device 110 of FIG. 2 does not contain a semi-insulating substrate 10, but rather a weakly p-doped substrate 13 made of 6H-SiC.
  • a heavily p-doped intermediate layer 14 has additionally grown epitaxially on the second substrate surface 12.
  • the semiconductor layer 20, which has also grown epitaxially, is arranged on this intermediate layer 14.
  • a pn junction 15 results between the semiconductor layer 20 and the intermediate layer 14, which electrically insulates the semiconductor layer 20 from the first substrate surface 11.
  • the lateral isolation of the lateral MOSFET 50 takes place analogously to the exemplary embodiment from FIG. 1 via the trench 30, which here extends into the weakly p-doped substrate 13.
  • the weakly p-doped substrate 13 also has a comparably good thermal conductivity as the semi-insulating SiC substrate 10.
  • FIG. 3 shows a top view of the semiconductor devices 100 and 110 of the exemplary embodiments in FIGS. 1 and 2.
  • the lateral MOSFET 50 can be modified such that the structures shown in FIGS. 1 and 2 are repeated several times in the lateral direction. Separated from one another by drift regions 544, regions with drain contact regions 521 and regions, each having a base region 513, the associated base contact regions 512 and the associated source contact regions, then alternate within the semiconductor layer 20. areas 511 include, from each other. The corresponding subregions of the individual areas are then connected in parallel.
  • Such a structure is shown in Figure 3. It comprises two interlocking comb-like structures.
  • the tines of these comb-like structures correspond to the drain electrodes 52 and the source electrodes 51, respectively.
  • the first dielectric insulation layer 54 insulates the tines of the drain electrodes 52 from those of the source electrodes 51
  • Tines of the two comb-like structures are each electrically conductively connected to a web, which serves as a drain connection region 525 and as a source connection region 515.
  • gate electrodes 53 are covered by the first dielectric insulation layer 54 arranged above them and also by the source electrode, their respective course is only shown in broken lines in FIG. 3.
  • the individual gate electrodes 53 likewise open into a common gate connection region 535 which runs exactly below the source connection region 515.
  • a recess 536 is therefore provided in the source connection region 515, which makes the underlying gate connection region 535 accessible for electrical contacting.
  • the entire semiconductor device 100 or 110 is electrically insulated in the lateral direction by a trench 30 running around the semiconductor device 100 or 110. Further components can be arranged on the same substrate 10 or 13 on the sides of this trench 30 facing away from the semiconductor device 100 or 110. These components are then electrically insulated from the semiconductor device 100 or 110.
  • FIG. 4 shows a semiconductor device in the form of an integrated two-phase converter 200 which has a known interconnection of a total of four MOSFETs T1 ... includes T4.
  • the MOSFETs Tl ... T4 each have three electrical connections, which are referred to as drain connection Dl ... D4, as source connection SI ... S4 and as gate connection Gl ... G4.
  • Drain connection D1 ... D4, source connection SI ... S4 and gate connection Gl ... G4 each correspond to the connection areas mentioned in FIG. 3, drain connection area 525, source connection area 515 and gate connection area 535.
  • a free-wheeling diode FD1 ... FD4 is connected antiparallel to each MOSFET Tl ... T4.
  • the structure of the combination of the MOSFETs T1 to T4 and the freewheeling diodes FD1 ... FD4 corresponds in each case to that described for the lateral MOSFET 50 in the previous figures.
  • the freewheeling diodes FD1 ... FD4 represent the integral inverse diode of the respective lateral MOSFET 50.
  • All MOSFETS Tl ... T4 and freewheeling diodes FDl ... FD4 are arranged on a single substrate 10 and 13, respectively.
  • the converter 200 thus has a very compact design.
  • the integrated converter 200 despite its small size, is designed for a reverse voltage of 1200 V and a switching frequency of at least up to 100 kHz.
  • the converter 200 operates symmetrically.
  • the converter 200 is also suitable for a very high switching frequency, since the integrated free-wheeling diodes FD1 ... FD4 have a fast switching capacity on the one hand due to their low storage charge and on the other hand due to the relatively high threshold voltage of 3 V by means of correspondingly synchronous controls on the respective gate Connections Gl ... G4 can even be switched off completely in a simple manner.
  • a direct voltage U DC present at an input can now be Control at the respective gate connections Gl ... G4 an AC voltage U A c are generated.
  • a two-phase electrical consumer (not shown) can then be supplied with electrical energy via the AC voltage U AC present at an output, for example.
  • FIG. 5 shows an integrated three-phase converter 300, which converts the electrical direct voltage U D c into a three-phase voltage, which can be made available to a three-phase consumer via phase connections L1, L2 and L3.
  • the three-phase converter 300 contains a total of six MOSFETs Tl ... T6 in an interconnection known per se. Each MOSFET Tl ... T6 has a drain connection Dl ... D6, a source connection SI ... S6 and a gate connection Gl ... G6 as well as an anti-parallel, integrated free-wheeling diode FDl ... FD6.
  • the converter 300 is in turn integrated on a single SiC substrate 10 or 13.
  • FIG. 6 shows a top view of the integrated three-phase converter 300 from FIG. 5.
  • connection regions can be seen in FIG. 6, which are assigned to several MOSFETs T1 ... T6. Since an electrical connection between the individual MOSFETs T1 ... T6 is desired in this case, no insulating trench 30 is provided in the area of these contact points.
  • the trench 30, on the other hand, runs only in those areas in which electrical insulation is required due to the electrical functioning and the circuit diagram according to FIG.
  • the small space requirement of the integrated three-phase converter 300 is clearly expressed in FIG. 6.
  • the integrated three-phase converter 300 is also designed for a reverse voltage of 1200 V and a switching frequency of up to 100 kHz.
  • both the two-phase converter 200 and the three-phase converter 300 can also be used for a higher one Reverse voltage and a higher switching frequency can be designed.
  • At least one further component can also be provided on the common substrate 10 or 13 on a side of the trench 30 facing away from the MOSFETs T1 ... T6. be integrated with a logical function.
  • a protective function against overtemperature or overload can be implemented in SiC-CMOS technology.

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Abstract

The invention relates to a semiconductor device (100) which contains a lateral power gate (50). Said power gate (50) is located within a semiconductor layer (20) that consists of a semiconductor material with an energy gap of at least 2 eV and that is laterally delimited by a trench (30) in the semiconductor layer (20). Said semiconductor layer (20) is arranged on a substrate (10) that has a higher thermal conductivity than silicon and that is electrically insulated vis-à-vis a substrate surface (11) that faces away from the semiconductor layer (20). The invention provides an integrated semiconductor device (100) for a high blocking voltage and a high frequency of operation.

Description

Beschreibungdescription
Integrierte Halbleitervorrichtung mit einem lateralen LeistungselementIntegrated semiconductor device with a lateral power element
Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit mindestens einem lateralen Leistungselement.The invention relates to a semiconductor device with at least one lateral power element.
Eine Halbleitervorrichtung mit einem Leistungselement wird derzeit in unterschiedlicher Ausführungsform unter anderem im Bereich der Stromrichtertechnik eingesetzt. Mit Hilfe eines Stromrichters wird elektrische Energie entsprechend dem Bedarf eines zu versorgenden Verbrauchers umgeformt. Deshalb wird ein Stromrichter auch als Umrichter bezeichnet. Andere für Spezialformen gebräuchliche Bezeichnungen sind Wechseloder Gleichrichter. Die dabei jeweils verwendete Halbleitervorrichtung umfaßt dann je nach spezifischer Anforderung als schaltendes Leistungselement einen abschaltbaren Thyristor (GTO-Thyristor) , einen Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), einen Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) oder einen MOS-gesteuerten Thyristor (MCT) .A semiconductor device with a power element is currently used in various embodiments, inter alia in the field of converter technology. With the help of a converter, electrical energy is converted according to the needs of a consumer to be supplied. For this reason, a converter is also referred to as a converter. Other names used for special forms are inverters or rectifiers. Depending on the specific requirement, the semiconductor device used in each case then comprises a switchable thyristor (GTO thyristor), an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) or a MOS-controlled thyristor (MCT) as the switching power element ).
Von einem Stromrichter werden dabei unter anderem eine hohe Sperrspannung, ein hoher Durchlaßstrom, eine hohe Schaltfre- quenz, eine geringe Verlustleistung (Abwärme) , eine hohe Zuverlässigkeit sowie ein geringer Aufwand für die Aufbau- und Verbindungstechnik gefordert.A converter requires, among other things, a high reverse voltage, a high forward current, a high switching frequency, a low power loss (waste heat), a high level of reliability and a low outlay for the assembly and connection technology.
Die kompakteste Form eines Stromrichters erreicht man mit ei- nem integrierten Aufbau, bei dem alle Leistungselemente sowie alle weiteren Bestandteile wie z.B. Freilaufdioden, Ansteu- er-, Überwachungs- und Schutzeinrichtungen auf einem einzigen Substrat angeordnet sind.The most compact form of a converter can be achieved with an integrated structure in which all power elements and all other components such as Free-wheeling diodes, control, monitoring and protection devices are arranged on a single substrate.
In "MOS-Bauelemente in der Leistungselektronik" , F. Schörlin, 1997, Sei ten 182 bis 187, ist ein derartiger in Silicium (Si) integrierter Stromrichter beschrieben. Ein solcher Stromrich- ter ist auch unter dem Begriff Λ Smart Power" bekannt. Außer der eigentlichen durch die Leistungselemente realisierten Leistungsflußsteuerung sind in dem beschriebenen Silicium- Stromrichter auch verschiedene digitale und analoge Kleinsi- gnalfunktionen wie ein Schutz gegen Übertemperatur, Überlast, Überspannung, Kurzschluß, Verpolung und ein Schutz der Eingangsseite mitintegriert. Die Halbleitervorrichtung enthält als Leistungselemente mehrere MOSFETs. Aufgrund des andernfalls sehr hohen Einschaltwiderstands, des großen Flächenbe- darfs und der hohen statischen Verluste sind die integrierten Silicium-MOSFETs üblicherweise nur für eine maximal zulässige Sperrspannung im Bereich zwischen 5 V und 50 V ausgelegt.Such a converter integrated in silicon (Si) is described in "MOS components in power electronics", F. Schörlin, 1997, pages ten to 187. Such a converter ter is also referred to as Λ smart power "known. Apart from the actual realized by the power elements power flow are described silicon power converters, various digital and analog Kleinsi- gnalfunktionen as a protection against over-temperature, overload, overvoltage, short circuit, reverse polarity and a The semiconductor device contains several MOSFETs as power elements. Due to the otherwise very high switch-on resistance, the large area requirement and the high static losses, the integrated silicon MOSFETs are usually only for a maximum permissible reverse voltage in the range between 5 V and 50 V designed.
In "Smart Power ICs" , B . Murari et al . , 1996, Sei te 58, wird hierzu ausgeführt, daß der Widerstand im Durchlaßzustand eines in Silicium realisierten MOSFETs mit steigender Sperrspannung stark anwächst. Ursache hierfür ist unter anderem die in Silicium bei einer hohen Sperrspannung erforderliche lange Driftzone.In "Smart Power ICs", B. Murari et al. , 1996, page 58, it is stated that the on-state resistance of a silicon-made MOSFET increases strongly with increasing reverse voltage. One of the reasons for this is the long drift zone required in silicon at a high reverse voltage.
Ein für eine Sperrspannung von bis zu 500 oder bis zu 600 V konzipierter, integrierter Stromrichter auf Siliciu -Basis wird in "A 500V 1A 2 -Chip Inverter IC on SOI Wafer", K. Endo et al . , Power Conversion, May 1998, Proceedings, Sei ten 145 bis 150, oder auch in "Smart Power ICs ", B . Murari et al . , 1996, Sei ten 163 bi s 1 69, beschrieben. Anstelle der MOSFETs beinhaltet diese Halbleitervorrichtung dann aber laterale IGBTs, die einen höheren Durchlaßstrom zulassen als ein MOSFET mit vergleichbarer Größe und Sperrspannungsfestigkeit. Allerdings wird die Schaltgeschwindigkeit dieses Stromrichters wegen des Speicherladungseffekts auf eine Frequenz in der Größenordnung von 20 kHz begrenzt. Die verglichen mit den Verhältnissen bei einem MOSFET größere Speicherladung ist hier auf den Bipolarmechanismus, der bei einem IGBT zum Tra- gen kommt, zurückzuführen. Außerdem bewirkt auch die mitintegrierte Freilaufdiode aufgrund der Materialeigenschaften von von Silicium eine relativ hohe Speicherung von Ladungsträgern an dem pn-Übergang der Freilaufdiode .An integrated silicon-based converter designed for a reverse voltage of up to 500 or up to 600 V is described in "A 500V 1A 2-Chip Inverter IC on SOI Wafer", K. Endo et al. , Power Conversion, May 1998, Proceedings, Pages 145 to 150, or also in "Smart Power ICs", B. Murari et al. , 1996, pages 163 to 1 69. Instead of the MOSFETs, this semiconductor device then contains lateral IGBTs which allow a higher forward current than a MOSFET of comparable size and reverse voltage resistance. However, the switching speed of this converter is limited to a frequency of the order of 20 kHz because of the storage charge effect. The larger storage charge compared to the conditions in a MOSFET is due here to the bipolar mechanism that occurs in an IGBT. In addition, the integrated freewheeling diode also causes due to the material properties of of silicon a relatively high storage of charge carriers at the pn junction of the freewheeling diode.
Um die durch die Silicium-Freilaufdiode mitverursachte Be- grenzung der Schaltgeschwindigkeit zu umgehen, wird mit der DE 196 38 620 AI ein nichtintegrierter Stromrichter in hybrider Aufbautechnik offenbart. Als Freilaufdiode wird hier eine hochsperrende und schnellschaltende Schottky-Diode aus Sili- ciumcarbid (SiC) eingesetzt. Dadurch wird zwar das Schaltver- mögen der Freilaufdiode selbst verbessert, andererseits ergibt sich aufgrund der nun notwendigen Verdrahtung der Einzelelemente jedoch wieder eine Einbuße an Schaltgeschwindig- keit. Eine externe Verdrahtung ist stets mit parasitären Induktivitäten und Kapazitäten verbunden. Darüber hinaus hat ein hybrider Aufbau einen höheren Platzbedarf als eine integrierte Lösung und ist zudem aufwendiger in der Realisierung.In order to circumvent the limitation of the switching speed caused by the silicon freewheeling diode, DE 196 38 620 AI discloses a non-integrated converter in hybrid construction technology. A high-blocking and fast-switching Schottky diode made of silicon carbide (SiC) is used as the freewheeling diode. Although this improves the switching capacity of the freewheeling diode itself, on the other hand there is again a loss in switching speed due to the wiring of the individual elements that is now necessary. External wiring is always connected to parasitic inductors and capacitors. In addition, a hybrid structure requires more space than an integrated solution and is also more complex to implement.
In dem Aufsatz "High -Vol tage (2. 6 kV) La teral DMOSFETs in 4H- SiC", J. Spi tz et al . , Ma terials Science Forum, Vol . 264 bis 268, 1998, Sei ten 1005 bi s 1 008 wird außerdem ein lateralerIn the article "High-voltage days (2. 6 kV) teral DMOSFETs in 4H-SiC", J. Spitz et al. , Materials Science Forum, Vol. 264 to 268, 1998, pages 1005 to 1 008 also becomes a lateral
Leistungs-MOSFET auf Basis von 4H-SiC beschrieben. Der offenbarte MOSFET zeichnet sich dabei durch eine besonders hohe Sperrspannungsfestigkeit aus. Für Raumtemperatur wird eine Sperrspannung von etwa 2,6 kV angegeben. Im Durchlaßzustand besitzt der MOSFET jedoch einen hohen Widerstand, wodurch die Verlustleistung ansteigt. Außerdem eignet sich der offenbarte laterale MOSFET nicht für eine Integration.Power MOSFET based on 4H-SiC described. The disclosed MOSFET is characterized by a particularly high reverse voltage resistance. A reverse voltage of approximately 2.6 kV is specified for room temperature. In the on state, however, the MOSFET has a high resistance, which increases the power loss. In addition, the disclosed lateral MOSFET is not suitable for integration.
Mit der US 5 , 710 , 455 wird ein weiterer lateraler SiC-MOSFET für Spannungen zwischen 600 V und 1200 V offenbart. Die seitliche, d.h. laterale, Isolation des lateralen SiC-MOSFETs erfolgt über einen pn-Übergang. Wenn nun die Temperatur des offenbarten lateralen SiC-MOSFETs beispielsweise infolge eines hohen Durchlaßstroms steigt, kann es an dem zur seitlichen Isolation eingesetzten pn-Übergang zu einem unerwünschten hohen Leckstrom kommen. Weiterhin muß die eine relativ hohe Kapazität darstellende Speicherladungszone des pn-Übergangs in jedem Schaltzyklus umgeladen werden. Dies hat eine Begrenzung der erzielbaren Schaltgeschwindigkeit zur Folge.No. 5,710,455 discloses a further lateral SiC MOSFET for voltages between 600 V and 1200 V. The lateral, ie lateral, isolation of the lateral SiC-MOSFET takes place via a pn junction. If the temperature of the disclosed lateral SiC-MOSFET now increases, for example as a result of a high forward current, an undesirably high leakage current can occur at the pn junction used for the lateral insulation. Furthermore, the storage charge zone of the pn junction in be reloaded every switching cycle. This results in a limitation of the switching speed that can be achieved.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine integrationsfähige Halbleitervorrichtung anzugeben, die auch für eine Sperrspannung von mehr als 600 V und eine Schaltfrequenz von mehr als 20 kHz geeignet ist. Außerdem soll die Halbleitervorrichtung einen geringen Platzbedarf aufweisen, um die Integration zu erleichtern.The invention is based on the object of specifying an integrable semiconductor device which is also suitable for a reverse voltage of more than 600 V and a switching frequency of more than 20 kHz. In addition, the semiconductor device should have a small footprint in order to facilitate integration.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Halbleitervorrichtung mit mindestens einem lateralen Leistungselement entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 angegeben.To achieve the object, a semiconductor device with at least one lateral power element is specified according to the features of claim 1.
Bei der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung ist mindestens ein laterales Leistungselement innerhalb einer Halbleiterschicht aus einem Halbleitermaterial mit einem Bandabstand von mindestens 2 eV angeordnet und zumindest teilweise durch einen Graben in der Halbleiterschicht seitlich begrenzt. Die Halbleiterschicht ist auf einem Substrat mit einer größeren Wärmeleitfähigkeit als der von Silicium angeordnet und gegenüber einer der Halbleiterschicht abgewandten Substratoberfläche elektrisch isoliert.In the semiconductor device according to the invention, at least one lateral power element is arranged within a semiconductor layer made of a semiconductor material with a bandgap of at least 2 eV and at least partially limited laterally by a trench in the semiconductor layer. The semiconductor layer is arranged on a substrate with a greater thermal conductivity than that of silicon and is electrically insulated from a substrate surface facing away from the semiconductor layer.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß sich eine Halbleitervorrichtung auch bei einer Forderung nach einer hohen Sperrspannung (>600 V) und einer hohen Schaltfrequenz (>20 kHz) noch in integrierter Technologie realisieren läßt. Um eine hohe Sperrspannung zu gewährleisten, ist es dabei be- sonders vorteilhaft, ein Halbleitermaterial mit einem hohen Bandabstand, insbesondere mit einem Bandabstand, der mindesten 2 eV beträgt, zu verwenden. Dieses Halbleitermaterial besitzt dann inhärent eine gegenüber dem bisher für einen integrierten Aufbau verwendeten Silicium deutlich höhere Span- nungsfestigkeit. Wegen des höheren Bandabstands und der damit verbundenen höheren Durchbruchfeidstärke kann außerdem die geometrische Abmessung kleiner als bei einer vergleichbaren Silicium-Halbleitervorrichtung gewählt werden. Dies kommt dann wiederum einer Integration entgegen.The invention is based on the knowledge that a semiconductor device can still be implemented in integrated technology even if a demand for a high reverse voltage (> 600 V) and a high switching frequency (> 20 kHz). In order to ensure a high reverse voltage, it is particularly advantageous to use a semiconductor material with a high band gap, in particular with a band gap that is at least 2 eV. This semiconductor material then inherently has a significantly higher dielectric strength than the silicon previously used for an integrated structure. Due to the higher band gap and the associated higher breakthrough field strength, the geometric dimension can also be smaller than that of a comparable one Silicon semiconductor device can be selected. This in turn helps integration.
Es wurde weiterhin erkannt, daß eine integrationsfähige Halb- leitervorrichtung auf Silicium-Basis, die als Leistungselement z.B. einen MOSFET beinhaltet, ist auch deshalb auf eine maximal zulässige Sperrspannung von etwa 50 V begrenzt ist, weil in Silicium nur eine verhältnismäßig kleine Wärmemenge abgeführt werden kann. Auch diese begrenzte Wärmeleitfähig- keit limitiert nun die maximal zulässige Spannung, da die Durchlaßverluste und damit die abzuführende Wärmemenge mit zunehmender Spannung ansteigen. Vorteilhaft umfaßt das Substrat der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung demgegenüber ein Material mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als der von Silicium. Damit kann die Wärme dann sicher über das Substrat abgeleitet werden.It was further recognized that an integrable semiconductor device based on silicon, which as a power element e.g. contains a MOSFET, is also limited to a maximum permissible reverse voltage of about 50 V because only a relatively small amount of heat can be dissipated in silicon. This limited thermal conductivity now also limits the maximum permissible voltage, since the transmission losses and thus the amount of heat to be dissipated increase with increasing voltage. In contrast, the substrate of the semiconductor device according to the invention advantageously comprises a material with a higher thermal conductivity than that of silicon. The heat can then be safely dissipated via the substrate.
Im Hinblick auf die Integrationsfähigkeit ist es besonders günstig, wenn die Halbleitervorrichtung ein Leistungselement mit lateraler Struktur beinhaltet. Bei einem lateralen Leistungselement fließt der Durchlaßstrom im wesentlichen parallel zu einer innerhalb der Substratoberflache verlaufenden Richtung, also in seitlicher oder auch lateraler Richtung. Im Gegensatz dazu fließt bei einer Halbleitervorrichtung oder einem Leistungselement mit vertikaler Struktur der Strom im wesentlichen senkrecht zur Substratoberfläche, also in vertikaler Richtung. Elektrische Anschlüsse, über die der Strom in eine vertikale Halbleitervorrichtung eingeleitet und aus dieser wieder ausgeleitet wird, befinden sich dann an voneinan- der abgewandten Seiten der Halbleitervorrichtung. Demgegenüber liegen diese Anschlüsse bei einer lateralen Struktur auf derselben Seite der Halbleitervorrichtung. Dies ist günstig für die Integration, da eine Durchkontaktierung durch das Substrat entfällt.With regard to the integration capability, it is particularly favorable if the semiconductor device contains a power element with a lateral structure. In the case of a lateral power element, the forward current flows essentially parallel to a direction running within the substrate surface, that is to say in the lateral or lateral direction. In contrast, in the case of a semiconductor device or a power element with a vertical structure, the current flows essentially perpendicular to the substrate surface, that is to say in the vertical direction. Electrical connections, via which the current is introduced into a vertical semiconductor device and out of it again, are then located on sides of the semiconductor device facing away from one another. In contrast, in the case of a lateral structure, these connections are on the same side of the semiconductor device. This is favorable for integration, since there is no through-plating through the substrate.
Ist die aktive Halbleiterschicht, innerhalb derer das laterale Leistungselement angeordnet ist, elektrisch isoliert ge- genüber der der Halbleiterschicht abgewandten Substratoberfläche, so kann diese Substratoberfläche ohne zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen mit einem anderen Körper, beispielsweise einer Gehäusewand oder einem Kühlkörper, mechanisch in Verbindung gebracht werden. Die elektrische Isolation stellt sicher, daß keine unzulässig hohe Spannung an dem benachbarten Körper ansteht.Is the active semiconductor layer, within which the lateral power element is arranged, electrically insulated? compared to the substrate surface facing away from the semiconductor layer, this substrate surface can be mechanically connected to another body, for example a housing wall or a heat sink, without additional safety precautions. The electrical insulation ensures that there is no impermissibly high voltage on the adjacent body.
Der Graben in der aktiven Halbleiterschicht ist zur seitli- chen (lateralen) elektrischen Isolation des lateralen Leistungselements vorgesehen. Der Graben begrenzt das Leistungselement seitlich. Damit ist neben der vertikal wirkenden Substratisolation auch eine zusätzliche elektrische Isolation mit lateraler Wirkungsrichtung gegeben. Dank dieser allseiti- gen Isolation des Leistungselements ist es dann auch möglich, verschiedene Potentiale an verschiedenen Bereichen auf dem Substrat zuzulassen. Eine gegenseitige Beeinflussung oder gar ein Überschlag zwischen solchen Bereichen mit verschiedenem Potential wird durch die beschriebene Isolation in seitlicher und vertikaler Richtung sicher verhindert. Dies ist eine weitere wichtige Eigenschaft im Hinblick auf die Integrationsfähigkeit. Außerdem weist ein Graben verglichen mit der beim Stand der Technik eingesetzten lateralen Isolation über einen pn-Übergang eine deutlich niedrigere Kapazität auf, so daß eine höhere Schaltfrequenz möglich ist.The trench in the active semiconductor layer is provided for the lateral (lateral) electrical insulation of the lateral power element. The trench delimits the power element laterally. In addition to the vertically acting substrate insulation, this also provides additional electrical insulation with a lateral direction of action. Thanks to this all-round insulation of the power element, it is then also possible to allow different potentials in different areas on the substrate. Mutual influence or even a rollover between such areas with different potential is reliably prevented by the insulation described in the lateral and vertical directions. This is another important property with regard to the ability to integrate. In addition, a trench has a significantly lower capacitance compared to the lateral insulation used in the prior art via a pn junction, so that a higher switching frequency is possible.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Advantageous configurations of the semiconductor device according to the invention result from the dependent claims.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist für die Halbleiterschicht, innerhalb derer das laterale Leistungselement angeordnet ist, als halbleitendes Material einkristallines Sili- ciumcarbid (SiC) , Galliumnitrid (GaN) oder Diamant vorgesehen. Die Halbleiterschicht enthält dabei ein solches Material oder sie besteht aus einem solchen Material. Alle genannten Halbleiter weisen einen sehr hohen Bandabstand auf und sind somit sehr gut für eine Halbleitervorrichtung geeignet, da eine hohe Sperrspannungsfestigkeit eine der Hauptanforderungen an die Halbleitervorrichtung darstellt.In a preferred embodiment, single-crystalline silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN) or diamond is provided as the semiconducting material for the semiconductor layer within which the lateral power element is arranged. The semiconductor layer contains such a material or it consists of such a material. All of the semiconductors mentioned have a very high band gap and are therefore very well suited for a semiconductor device, since high reverse voltage strength is one of the main requirements for the semiconductor device.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der für die aktive Halbleiterschicht einkristallines SiC des 6H- oderAn embodiment is particularly advantageous in which single-crystal SiC of 6H or for the active semiconductor layer
15R-Polytyps vorgesehen ist, wobei die Halbleiterschicht wieder einen solchen Polytyp nur enthalten oder auch vollständig aus einem solchen Polytyp bestehen kann. Beide genannten Po- lytypen besitzen sowohl eine hohe laterale Beweglichkeit als auch eine hohe Inversionskanalbeweglichkeit. Bei einem als lateraler MOSFET ausgebildeten Leistungselement reduziert sich dann z.B. aufgrund der erstgenannten Beweglichkeit der Durchlaßwiderstand in einem lateralen Driftgebiet und aufgrund der zweitgenannten Beweglichkeit der Widerstand in ei- nem Kanalgebiet. Diese Beweglichkeiten sind bei 6H- und 15R- SiC deutlich höher als bei anderen Polytypen von SiC, insbesondere auch als bei dem 4H-Polytyp. Mit einer hohen Ladungsträgerbeweglichkeit läßt sich auch eine hohe Schaltgeschwindigkeit der Halbleitervorrichtung erreichen. Prinzipiell sind jedoch auch alle anderen SiC-Polytypen, wie z.B. auch 3C-SiC, geeignet. Auch 4H-SiC mit einer entsprechend verbesserter Grenzflächenleitfähigkeit bzw. verbesserter Inversionskanalbeweglichkeit ist ein für die Halbleiterschicht prinzipiell geeignetes Material.15R polytype is provided, the semiconductor layer again only containing such a polytype or also consisting entirely of such a polytype. Both of the above-mentioned poly types have both high lateral mobility and high inversion channel mobility. In the case of a power element designed as a lateral MOSFET, e.g. due to the first-mentioned mobility the forward resistance in a lateral drift area and due to the second-mentioned mobility the resistance in a channel area. These mobilities are significantly higher with 6H and 15R SiC than with other polytypes of SiC, in particular also with the 4H polytype. A high switching speed of the semiconductor device can also be achieved with a high charge carrier mobility. In principle, however, all other SiC poly types, such as also 3C-SiC, suitable. 4H-SiC with a correspondingly improved interface conductivity or improved inversion channel mobility is also a material which is in principle suitable for the semiconductor layer.
In einer vorteilhaften Variante enthält das Substrat Silici- umearbid oder Aluminiumnitrid (A1N) . Es jedoch auch möglich, daß das Substrat nur aus SiC oder AlN besteht. SiC weist in Abhängigkeit des Polytyps eine Wärmeleitfähigkeit von 2,3 bis 4,9 Wcm-1K_1 auf. Demgegenüber liegt die Wärmeleitf higkeit von Silicium nur bei 1,5 Dadurch resultiert ein deutlich verbesserter Wärmetransport durch das Substrat, wenn nicht Si sondern SiC als Substratmaterial verwendet wird. Die Kombination einer SiC-Halbleiterschicht und eines SiC-Sub- strats ist dabei im Hinblick auf das Aufbringen der aktiven Halbleiterschicht z.B. über einen Epitaxie-Prozeß besonders vorteilhaft. Bei einer GaN-Halbleiterschicht ist dagegen AlN als Substratmaterial besser geeignet, da die jeweiligen Gitterkonstanten von GaN und AlN nur wenig voneinander abweichen.In an advantageous variant, the substrate contains silicon carbide or aluminum nitride (A1N). However, it is also possible that the substrate consists only of SiC or AlN. Depending on the type of poly, SiC has a thermal conductivity of 2.3 to 4.9 Wcm -1 K _1 . In contrast, the thermal conductivity of silicon is only 1.5 This results in a significantly improved heat transport through the substrate if SiC instead of Si is used as the substrate material. The combination of an SiC semiconductor layer and an SiC substrate is particularly advantageous with regard to the application of the active semiconductor layer, for example via an epitaxy process. In the case of a GaN semiconductor layer, however, is AlN more suitable as substrate material, since the respective lattice constants of GaN and AlN differ only slightly.
Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der ein Substrat aus semiisolierendem Siliciumcarbid vorgesehen ist. Das Substrat kann dabei vollständig aus semiisolierendem SiC bestehen oder auch semiisolierendes SiC nur enthalten, z.B. in einer ganzflächigen Schicht. Ein Material wird im allgemeinen als semiisolierend bezeichnet, wenn sein spezifischer Widerstand zwischen etwa 105 Ωcm und etwa 1010 Ωcm liegt. Ab einem spezifischen Widerstand von etwa 1013 Ωcm würde man es demzufolge dann als isolierend bezeichnen. Im vorliegenden Fall ist semiisolierendes Verhalten völlig ausreichend für den hier erforderlichen Grad an elektrischer Trennung zwischen der Halbleiterschicht und der der Halbleiterschicht abgewandten Substratoberflache. Neben der dem SiC ohnehin eigenen guten thermischen Leitfähigkeit bietet somit semiisolierendes SiC auch die geforderte elektrische Isolation in vertikaler Richtung.An embodiment is advantageous in which a substrate made of semi-insulating silicon carbide is provided. The substrate can consist entirely of semi-insulating SiC or can only contain semi-insulating SiC, for example in a full-area layer. A material is generally said to be semi-insulating when its resistivity is between about 10 5 Ωcm and about 10 10 Ωcm. From a specific resistance of around 10 13 Ωcm, one would then call it isolating. In the present case, semi-insulating behavior is completely sufficient for the degree of electrical separation required here between the semiconductor layer and the substrate surface facing away from the semiconductor layer. In addition to the good thermal conductivity inherent in the SiC, semi-insulating SiC also offers the required electrical insulation in the vertical direction.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird diese elektrische Isolation durch einen zwischen der aktiven Halbleiterschicht und dem Substrat angeordneten pn-Übergang ge- währleistet. Für das Substrat kann dann ein schwach p- oder n-leitendes Halbleitermaterial verwendet werden. Vorteilhaft ist dann auf der der Halbleiterschicht zugewandten Substrat- oberfläche eine zusätzliche halbleitende Zwischenschicht mit einer höheren Dotierung als der des Substrats angeordnet. Der elektrisch isolierende pn-Übergang wird zwischen dieser Zwischenschicht und der darauf angeordneten aktiven Halbleiterschicht gebildet.In a further advantageous embodiment, this electrical insulation is ensured by a pn junction arranged between the active semiconductor layer and the substrate. A weakly p- or n-conducting semiconductor material can then be used for the substrate. An additional semiconducting intermediate layer with a higher doping than that of the substrate is then advantageously arranged on the substrate surface facing the semiconductor layer. The electrically insulating pn junction is formed between this intermediate layer and the active semiconductor layer arranged thereon.
Generell bietet eine in SiC realisierte Halbleitervorrichtung den Vorteil einer sehr hohen Wärmeleitfähigkeit sowohl in vertikaler Richtung über das SiC-Substrat als auch in lateraler Richtung über die SiC-Halbleiterschicht . Demgegenüber be- sitzen die bei einer in Silicium realisierten Halbleitervorrichtung zur vertikalen und lateralen Isolation oftmals verwendeten Si02-Schichten oder -Bereiche eine wesentlich schlechtere Wärmeleitfähigkeit. Deshalb kann eine SiC-Halb- leitervorrichtung auch einen deutlich höheren Strom tragen als ihr Silicium-Pendant . Die durch den Strom verursachte Verlustwärme läßt sich über das SiC leichter abführen.In general, a semiconductor device realized in SiC offers the advantage of a very high thermal conductivity both in the vertical direction via the SiC substrate and in the lateral direction via the SiC semiconductor layer. In contrast, the Si0 2 layers or areas often used in a semiconductor device realized in silicon for vertical and lateral insulation have a significantly poorer thermal conductivity. Therefore, a SiC semiconductor device can also carry a significantly higher current than its silicon counterpart. The heat loss caused by the current is easier to dissipate via the SiC.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist der Graben mindestens so tief, daß er die aktive Halbleiterschicht komplett durchtrennt. Die seitliche elektrische Isolation ist dann besonders wirkungsvoll. Üblicherweise liegt die Dicke der aktiven Halbleiterschicht zwischen etwa 2 und 10 um. Die gewählte Dicke hängt dabei im wesentlichen von dem geforder- ten Durchlaßstrom ab. Die seitliche elektrische Isolation wird weiter verbessert, wenn eine dielektrische Isolations- schicht, beispielsweise aus einem Oxid oder einem Polyimid, an Rändern des Grabens vorgesehen ist. Bevorzugt verläuft der Graben als geschlossener Ring um den lateralen Feldeffekt- transistor.In another advantageous embodiment, the trench is at least so deep that it completely cuts through the active semiconductor layer. The lateral electrical insulation is then particularly effective. The thickness of the active semiconductor layer is usually between approximately 2 and 10 μm. The chosen thickness essentially depends on the required forward current. The lateral electrical insulation is further improved if a dielectric insulation layer, for example made of an oxide or a polyimide, is provided at the edges of the trench. The trench preferably runs as a closed ring around the lateral field effect transistor.
In einer weiteren Ausführungsform, bei der die Halbleitervorrichtung mehr als ein laterales Leistungselement beinhaltet, bewirkt der Graben eine elektrische Isolation eines Lei- stungselements gegenüber einem benachbarten Leistungselement. Diese Möglichkeit zur Isolation von auf einem einzigen Substrat benachbart zueinander angeordneten Bauelementen ist besonders für die Integration von Interesse.In a further embodiment, in which the semiconductor device contains more than one lateral power element, the trench effects electrical insulation of a power element from an adjacent power element. This possibility of isolating components arranged adjacent to one another on a single substrate is of particular interest for the integration.
In einer weiteren Ausgestaltung ist eine Unterbrechung des Grabens zwischen zwei benachbarten Leistungselementen, beispielsweise zwischen zwei benachbarten lateralen Feldeffekttransistoren, vorgesehen. Dadurch kann auf einfache Weise eine elektrische Verbindung zwischen diesen beiden benachbarten lateralen Feldeffekttransistoren hergestellt werden. Je nach Zusammenschaltung der einzelnen Bauelemente der Halbleiter- vorrichtungs ist es somit ohne weiteres möglich, eine elek- rische Verbindung oder auch eine elektrische Isolation vorzusehen.In a further embodiment, the trench is interrupted between two adjacent power elements, for example between two adjacent lateral field effect transistors. As a result, an electrical connection between these two adjacent lateral field effect transistors can be established in a simple manner. Depending on the interconnection of the individual components of the semiconductor device, it is thus easily possible to provide electrical connection or electrical insulation.
Im Rahmen einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das Leistungselement als Transistor, insbesondere als Feldeffekttransistor (FET) oder als IGBT, als Diode, insbesondere pn- oder Schottky-Diode, oder als Thyristor ausgebildet. Bevorzugte Formen des Feldeffekttransistors sind dabei ein JFET (=Sperrschicht- oder Junction-FET) , ein MOSFET oder ein MESFET (Metal-Semiconductor-FET) , wobei der Einsatz einesIn another preferred embodiment, the power element is designed as a transistor, in particular as a field effect transistor (FET) or as an IGBT, as a diode, in particular a pn or Schottky diode, or as a thyristor. Preferred forms of the field effect transistor are a JFET (= junction or junction FET), a MOSFET or a MESFET (metal semiconductor FET), the use of a
MOSFETs besonders vorteilhaft ist. Für den Fall, daß das genannte Leistungselement schaltbar ist, stellt die Halbleitervorrichtung in der zugehörigen Ausführungsform dann einen Halbleiterschalter dar.MOSFETs is particularly advantageous. In the event that the power element mentioned is switchable, the semiconductor device in the associated embodiment then represents a semiconductor switch.
Besonders vorteilhaft ist der Einsatz eines MOSFETs. Der hohe Bandabstand des verwendeten Halbleitermaterials ermöglicht auch bei der geforderten hohen Sperrspannungen den Einsatz eines Feldeffekttransistors als Leistungselement. Der bei ei- ner Sperrspannung von einigen 100 V in der Silicium-Techno- logie eingesetzte IGBT ist dann nicht erforderlich. Damit entfällt aber auch die beim IGBT durch den verwendeten Bipo- larmechanismus hervorgerufene Begrenzung der Schaltgeschwindigkeit .The use of a MOSFET is particularly advantageous. The high band gap of the semiconductor material used enables the use of a field effect transistor as a power element even with the required high reverse voltages. The IGBT used with a blocking voltage of a few 100 V in silicon technology is then not necessary. However, this also eliminates the limitation of the switching speed caused by the bipolar mechanism used in the IGBT.
Besonders günstig ist eine Ausführungsform, bei der der MOSFET eine Inversdiode als integralen Bestandteil aufweist. Diese Inversdiode kann dann mit Vorteil als Freilaufdiode eingesetzt werden. Dadurch reduziert sich der Platzbedarf, da auf dem Substrat kein Platz durch eine gesonderte Freilaufdiode belegt wird. Durch den Wegfall der die Geschwindigkeit begrenzenden Verdrahtung einer gesonderten Freilaufdiode wird außerdem eine höhere Schaltfrequenz ermöglicht.An embodiment in which the MOSFET has an inverse diode as an integral part is particularly favorable. This inverse diode can then advantageously be used as a freewheeling diode. This reduces the space requirement, since no space is occupied on the substrate by a separate freewheeling diode. By eliminating the speed-limiting wiring of a separate freewheeling diode, a higher switching frequency is also made possible.
Ein MOSFET hat darüber hinaus einen sehr geringen spezifischen Durchlaßwiderstand und weist im Gegensatz zu einem anderen Leistungsschaltelement wie einem IGBT, einem GTO oder einem Thyristor im Durchlaßzustand keine verlustbringende Schwellspannung auf.A MOSFET also has a very low resistivity and, unlike another power switching element such as an IGBT, a GTO or a thyristor in the on state no loss-causing threshold voltage.
In zwei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist eine Zu- sammenschaltung von vier oder sechs lateralen Feldeffekttransistoren zu einem zweiphasigen bzw. dreiphasigen Umrichter vorgesehen. Besonders gut eignet sich ein selbstsperrendes Leistungsschaltelement, insbesondere ein selbstsperrender MOSFET, für einen Einsatz in einem derartigen Umrichter. Bei beiden Ausführungsformen ist der Umrichter jeweils auf einem einzigen Substrat integriert. Er weist zudem eine vergleichsweise geringe Anzahl an Einzelbauelementen auf, da die lateralen Feldeffekttransistoren über ihre Inversdioden jeweils auch die für einen Umrichter benötigte Funktion der Freilauf- dioden miterfüllen. Der Umrichter kann dabei für eine Sperrspannung von 600 V, 1000 V, 1200 V oder 1800 V ausgelegt sein. Die Schaltfrequenz beträgt beispielsweise bis zu 100 kHz. Eine höhere Sperrspannung und auch eine höhere Schaltfrequenz, z.B. im GHz-Bereich, sind jedoch ebenso mög- lieh. Insbesondere kann die Schaltfrequenz so hoch gewählt werden, daß die beim Schaltvorgang erzeugten akustischen Geräusche in einem Frequenzbereich liegen, der vom menschlichen Ohr nicht mehr wahrgenommen wird. Außerdem ermöglicht die hohe Schaltfrequenz einen sehr flexiblen Einsatz des integrier- ten Umrichters.In two further preferred embodiments, an interconnection of four or six lateral field effect transistors to form a two-phase or three-phase converter is provided. A self-locking power switching element, in particular a self-locking MOSFET, is particularly well suited for use in such a converter. In both embodiments, the converter is integrated on a single substrate. It also has a comparatively small number of individual components, since the lateral field-effect transistors, via their inverse diodes, also fulfill the function of the freewheeling diodes required for a converter. The converter can be designed for a reverse voltage of 600 V, 1000 V, 1200 V or 1800 V. The switching frequency is up to 100 kHz, for example. A higher reverse voltage and also a higher switching frequency, e.g. in the GHz range, but are also possible. In particular, the switching frequency can be chosen so high that the acoustic noises generated during the switching process lie in a frequency range which is no longer perceived by the human ear. In addition, the high switching frequency enables the integrated converter to be used very flexibly.
Vorteilhaft ist eine andere Ausgestaltung, bei der sich neben dem Leistungselement mindestens noch ein weiteres Bauelement, das eine Kleinsignalfunktion realisiert, auf dem Substrat be- findet. Insbesondere kann durch dieses weitere Bauelement eine Ansteuerfunktion oder eine Überwachungsfunktion für das Leistungselement oder für einen Umrichter mit auf dem Substrat integriert werden.Another embodiment is advantageous in which, in addition to the power element, there is at least one further component that implements a small signal function on the substrate. In particular, a control function or a monitoring function for the power element or for a converter can also be integrated on the substrate by means of this further component.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maß- stäblich ausgeführt, und gewisse Merkmale sind schematisiert dargestellt. Im einzelnen zeigen die:Preferred exemplary embodiments of a semiconductor device according to the invention will now be explained in more detail with reference to the drawing. The drawing is not executed literally, and certain features are shown schematically. In detail the show:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Halbleiter- Vorrichtung mit einem lateralen MOSFET,FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a semiconductor device with a lateral MOSFET,
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Halbleitervorrichtung mit einem lateralen MOSFET, Figur 3 eine Draufsicht auf die Ausführungsbeispiele der Halbleitervorrichtung von Figur 1 und 2, Figur 4 einen zweiphasigen Umrichter mit vier integrierten MOSFETs, Figur 5 einen dreiphasigen Umrichter mit sechs integrierten2 shows a second exemplary embodiment of a semiconductor device with a lateral MOSFET, FIG. 3 shows a plan view of the exemplary embodiments of the semiconductor device from FIGS. 1 and 2, FIG. 4 shows a two-phase converter with four integrated MOSFETs, and FIG. 5 shows a three-phase converter with six integrated ones
MOSFETs und Figur 6 eine Draufsicht auf den dreiphasigen Umrichter von Figur 5.FIG. 6 shows a top view of the three-phase converter from FIG. 5.
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren 1 bis 6 mit denselben Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference numerals in FIGS. 1 to 6.
In Figur 1 ist eine Halbleitervorrichtung 100 mit einem lateralen MOSFET 50 als Leistungselement dargestellt. Die Halbleitervorrichtung 100 enthält ein semiisolierendes SiC-Sub- strat 10 mit einer ersten und einer zweiten Substratoberfläche 11 bzw. 12. Auf der zweiten Substratoberfläche 12 ist ei- ne epitaktisch aufgewachsene, schwach n-leitende Halbleiterschicht 20 aus einkristallinem SiC angeordnet. Die aktive Halbleiterschicht 20 weist eine Grunddotierung von etwa 1,3-1016 cm-3 auf und ist typischerweise 5 μm dick.1 shows a semiconductor device 100 with a lateral MOSFET 50 as a power element. The semiconductor device 100 contains a semi-insulating SiC substrate 10 with a first and a second substrate surface 11 or 12. An epitaxially grown, weakly n-conducting semiconductor layer 20 made of single-crystal SiC is arranged on the second substrate surface 12. The active semiconductor layer 20 has a basic doping of approximately 1.3-10 16 cm -3 and is typically 5 μm thick.
Durch das semiisolierende Verhalten des Substrats 10 wird eine für den vorliegenden Anwendungsfall völlig ausreichende elektrische Isolation der Halbleiterschicht 20 gegenüber der ersten Substratoberfläche 11 gewährleistet.The semi-insulating behavior of the substrate 10 ensures that the semiconductor layer 20 is completely sufficiently insulated from the first substrate surface 11 for the present application.
Der laterale MOSFET 50 ist innerhalb der Halbleiterschicht 20 angeordnet. Er grenzt dabei an eine von der zweiten Substratoberfläche 12 abgewandten Hauptoberfläche 21 der Halbleiter- schicht 20 an. Im folgenden wird der Aufbau und die Funktionsweise des lateralen MOSFETs 50 näher beschrieben.The lateral MOSFET 50 is arranged within the semiconductor layer 20. It borders on a main surface 21 of the semiconductor layer 20 on. The structure and the mode of operation of the lateral MOSFET 50 are described in more detail below.
Zwei stark n-leitende Drain-Kontaktgebiete 521 sind durch ein innerhalb der Halbleiterschicht 20 liegendes Driftgebiet 544 von einem p-leitenden Basis-Gebiet 513 beabstandet. Innerhalb des Basis-Gebiets 513 befinden sich zwei stark n-leitende Source-Kontaktgebiete 511, zwischen denen ein stark p-dotier- tes Basis-Kontaktgebiet 512 angeordnet ist.Two strongly n-conducting drain contact regions 521 are spaced apart from a p-conducting base region 513 by a drift region 544 lying within the semiconductor layer 20. Within the base region 513 there are two strongly n-conducting source contact regions 511, between which a heavily p-doped base contact region 512 is arranged.
Die n-leitenden Gebiete werden dabei durch Ionenimplantation von Stickstoff, die p-leitenden Gebiete durch Ionenimplantation von Bor oder Aluminium hergestellt.The n-type regions are produced by ion implantation of nitrogen, the p-type regions by ion implantation of boron or aluminum.
Eine metallische Drain-Elektrode 52 kontaktiert die Drain- Kontaktgebiete 521 ohmsch. Die Source-Kontaktgebiete 511 und das Basis-Kontaktgebiet 512 werden durch eine gemeinsame ebenfalls metallische Source-Elektrode 51 ohmsch kontaktiert. Die Source-Kontaktgebiete 511 und das Basis-Kontaktgebiet 512 sind somit elektrisch kurzgeschlossen.A metallic drain electrode 52 makes ohmic contact with the drain contact regions 521. The source contact regions 511 and the base contact region 512 are contacted ohmically by a common, likewise metallic source electrode 51. The source contact regions 511 and the base contact region 512 are thus electrically short-circuited.
Zwischen den beiden Source-Kontaktgebieten 511 und den Driftgebieten 544 befinden sich innerhalb des Basis-Gebiets 513 jeweils Kanalgebiete 514, deren Dotierungskonzentration bei etwa 1,3-1017 cm-3 liegt. Ein über die Drain-Elektroden 52 in den lateralen MOSFET 50 eingespeister und über die Source- Elektrode 51 wieder herausgeführter elektrischer Strom läßt sich durch eine gezielte Widerstandsbeeinflussung innerhalb der Kanalgebiete 514 steuern.Between the two source contact areas 511 and the drift areas 544 there are channel areas 514 within the base area 513, the doping concentration of which is approximately 1.3-10 17 cm -3 . An electrical current fed into the lateral MOSFET 50 via the drain electrodes 52 and led out again via the source electrode 51 can be controlled by a targeted influencing of resistance within the channel regions 514.
Deshalb sind zur leistungslosen Steuerung Gate-Elektroden 53 elektrisch isoliert über den jeweils zu steuernden Kanalgebieten 514 angeordnet. Eine zwischen den Kanalgebieten 514 und den Gate-Elektroden 53 auf die Hauptoberfläche 21 aufge- brachte Gate-Isolationsschicht 531 aus gewährleistet die erforderliche elektrische Isolation. Ein besonders gut für diese Gate-Isolationsschicht 531 geeignetes Material ist thermi- sches Siliciumdioxid (Si02) . Die Gate-Elektroden 53 bestehen beispielsweise aus Polysilicium.Therefore, for powerless control, gate electrodes 53 are arranged in an electrically insulated manner above the channel regions 514 to be controlled. A gate insulation layer 531 which is applied between the channel regions 514 and the gate electrodes 53 on the main surface 21 ensures the required electrical insulation. A material that is particularly suitable for this gate insulation layer 531 is thermally cal silica (Si0 2 ). The gate electrodes 53 are made of polysilicon, for example.
Die Drain-Elektroden 52, die Source-Elektrode 51 sowie die Gate-Elektroden 53 sind durch eine auf der Hauptoberfläche 21 aufgebrachte erste dielektrische Isolationsschicht 54 elektrisch voneinander isoliert. Diese Isolationsschicht 54 besteht aus einer verglichen mit der Gate-Isolationsschicht 531 dicken Oxidschicht. Diese enthält z.B. Si02, das durch ther- mische Oxidation von Polysilicium oder auch auf einfache Weise durch ein CVD (Chemical Vapor Deposition)- oder ein Plasma- Abscheideverfahren hergestellt werden kann. Ein anderes dielektrisches Material, wie z.B. Polyimid, ist jedoch ebenso gut für die Isolationsschicht 54 geeignet.The drain electrodes 52, the source electrode 51 and the gate electrodes 53 are electrically insulated from one another by a first dielectric insulation layer 54 applied to the main surface 21. This insulation layer 54 consists of an oxide layer which is thick compared to the gate insulation layer 531. This contains, for example, SiO 2 , which can be produced by thermal oxidation of polysilicon or simply by a CVD (Chemical Vapor Deposition) - or a plasma deposition process. Another dielectric material, such as polyimide, is, however, equally well suited for the insulation layer 54.
Der in Figur 1 dargestellte laterale MOSFET 50 ist für Sperrspannung von bis zu 1200 V ausgelegt und hat dabei eine Breite von nur etwa 40 μm. Ein vergleichbarer Si-MOSFET hätte demgegenüber eine Breite von 220 μm. In SiC läßt sich die Halbleitervorrichtung 100 somit mit deutlich kleinerem Platzbedarf realisieren. Das Driftgebiet 544 ist etwa 10 μm und das Kanalgebiet 514 etwa 1,5 μm lang.The lateral MOSFET 50 shown in FIG. 1 is designed for reverse voltage of up to 1200 V and has a width of only about 40 μm. In contrast, a comparable Si-MOSFET would have a width of 220 μm. In SiC, the semiconductor device 100 can thus be implemented with a significantly smaller space requirement. The drift region 544 is approximately 10 μm long and the channel region 514 is approximately 1.5 μm long.
Für die aktive Halbleiterschicht 20 ist 6H-SiC vorgesehen, wobei eine (0001) -Ebene des 6H-SiC-Einkristalls im wesentlichen mit der Hauptoberfläche 21 zusammenfällt. Eine etwaige für das epitaktische Wachstum der Halbleiterschicht 20 vorgesehene Fehlorientierung des Substrats 10 von beispielsweise 3° spielt in diesem Zusammenhang keine Rolle. Die [0001]- Kristallorientierung ist in Kombination mit der in Figur 1 dargestellten lateralen Struktur besonders vorteilhaft. Zum einen liegt die Kanalbeweglichkeit von 6H-SiC verglichen mit der des 4H-Polytyps deutlich höher und zum anderen übersteigt die laterale Beweglichkeit des 6H-Polytyps die vertikale um den Faktor 4,8. Da ein Stromfluß über den MOSFET 50 jedoch gerade in lateraler Richtung erfolgt, resultiert somit ein niedriger Durchlaßwiderstand in dem Driftgebiet 544. Insge- samt ergibt sich damit im Durchlaßzustand ein im wesentlichen durch das Kanalgebiet 514 und das Driftgebiet 544 bestimmter Gesamtwiderstand von etwa 4,2 Ωmm2.6H-SiC is provided for the active semiconductor layer 20, a (0001) plane of the 6H-SiC single crystal essentially coinciding with the main surface 21. Any misorientation of the substrate 10, for example 3 °, intended for the epitaxial growth of the semiconductor layer 20 does not play a role in this context. The crystal orientation is particularly advantageous in combination with the lateral structure shown in FIG. 1. On the one hand, the channel mobility of 6H-SiC is significantly higher than that of the 4H polytype, and on the other hand, the lateral mobility of the 6H-polytype exceeds the vertical by a factor of 4.8. However, since current flows through the MOSFET 50 in the lateral direction, this results in a low forward resistance in the drift region 544. All in all, this results in a total resistance of approximately 4.2 Ωmm 2 determined by the channel region 514 and the drift region 544 in the on state.
Bei einer zwischen der Drain-Elektrode 52 und der Source- Elektrode 51 in Durchlaßrichtung anliegenden elektrischen Spannung können die Kanalgebiete 514 über ein entsprechendes Potential an den Gate-Elektroden 53 zwischen einem sperrenden und einem leitenden Zustand hin- und hergeschaltet werden. Da der laterale MOSFET 50 ein selbstsperrendes Schaltelement ist, erfolgt die Umschaltung in den Sperrzustand bereits bei einem an der Gate-Elektrode 53 anstehenden Nullpotential. Im Sperrzustand ist der laterale MOSFET 50 in der Lage, eine zwischen den Drain-Elektroden 52 und der Source-Elektrode 51 anstehende Spannung von bis zu 1200 V zu sperren.In the event of an electrical voltage present between the drain electrode 52 and the source electrode 51 in the forward direction, the channel regions 514 can be switched back and forth between a blocking and a conductive state via a corresponding potential at the gate electrodes 53. Since the lateral MOSFET 50 is a normally-off switching element, the switchover to the blocking state takes place at a zero potential present at the gate electrode 53. In the blocking state, the lateral MOSFET 50 is able to block a voltage of up to 1200 V between the drain electrodes 52 and the source electrode 51.
Der Pfad über das Basis-Kontaktgebiet 512, das Basis-Gebiet 513, die Halbleiterschicht 20 und das Drain-Kontaktgebiet 521 umfaßt einen in Rückwärtsrichtung des MOSFETs 50 gepolten pn- Übergang. Die zu diesem pn-Übergang gehörige Diode wird auch als Inversdiode bezeichnet. Sie ist integraler Bestandteil des lateralen MOSFETs 50 und kann über eine zwischen der Drain-Elektrode 52 und der Source-Elektrode 51 in Rückwärtsrichtung anstehende Spannung eingeschaltet werden kann. Die Schwellspannung dieser Inversdiode liegt bei etwa 3 V, einem für SiC typischen Wert.The path across the base contact region 512, the base region 513, the semiconductor layer 20 and the drain contact region 521 comprises a pn junction which is polarized in the reverse direction of the MOSFET 50. The diode associated with this pn junction is also referred to as an inverse diode. It is an integral part of the lateral MOSFET 50 and can be switched on via a voltage present between the drain electrode 52 and the source electrode 51 in the reverse direction. The threshold voltage of this inverse diode is about 3 V, a typical value for SiC.
Die Inversdiode läßt sich mit besonderem Vorteil in die Funktionsweise der Halbleitervorrichtung 100 miteinbeziehen. Wird beispielsweise der eigentliche laterale MOSFET 50 durch ein entsprechendes Potential an der Gate-Elektrode 53 in den Sperrzustand geschaltet und erfordert gleichzeitig die äußere, in Figur 1 nicht gezeigte Beschaltung einen Strom in Rückwärtsrichtung über die Halbleitervorrichtung 100, so kann dieser Strom über die genannte Inversdiode geführt werden. In diesem Fall kommutiert der Strom von dem eigentlichen lateralen MOSFET 50 auf die Inversdiode. Die Inversdiode fungiert in diesem Fall als Freilaufdiode . Da beim Betrieb der Inversdiode innerhalb der Halbleiterschicht 20 im wesentlichen das gleiche Driftgebiet 544 genutzt wird wie beim Betrieb des eigentlichen lateralen MOSFETs 50, kann die Inversdiode automa- tisch auch in etwa dieselbe Stromstärke wie der eigentliche laterale MOSFET 50 tragen. Verglichen mit einem separaten Aufbau des MOSFETs 50 und der Freilaufdiode auf dem Substrat 10 erreicht man mit der integrierten Freilaufdiode eine Reduktion der benötigten Substratfläche um bis zu 75 % . Dies entspricht einer Reduktion der Ausdehnung in einer beliebigen lateralen Richtung um einen Faktor von bis zu 2.The inverse diode can be incorporated particularly advantageously into the functioning of the semiconductor device 100. If, for example, the actual lateral MOSFET 50 is switched into the blocking state by a corresponding potential at the gate electrode 53 and, at the same time, the external circuitry (not shown in FIG. 1) requires a current in the reverse direction via the semiconductor device 100, this current can be supplied via the inverse diode be performed. In this case, the current commutates from the actual lateral MOSFET 50 to the inverse diode. The inverse diode acts in this case as a freewheeling diode. Since essentially the same drift region 544 is used during operation of the inverse diode within the semiconductor layer 20 as during operation of the actual lateral MOSFET 50, the inverse diode can also carry approximately the same current strength as the actual lateral MOSFET 50. Compared to a separate construction of the MOSFET 50 and the freewheeling diode on the substrate 10, the integrated freewheeling diode achieves a reduction in the required substrate area by up to 75%. This corresponds to a reduction in expansion in any lateral direction by a factor of up to 2.
Die integrale Inversdiode erfüllt außerdem auch die Anforderungen an eine z.B. in einer Umrichterschaltung betriebenen Freilaufdiode. So wird im Rückwärtsbetrieb, d.h. bei inThe integral inverse diode also fulfills the requirements for e.g. freewheeling diode operated in a converter circuit. So in reverse operation, i.e. at in
Durchflußrichtung betriebener Inversdiode, nur eine geringe Speicherladung aufgebaut. Diese Speicherladung wird beim Ü- bergang in den Vorwärtsbetrieb, der Betriebsart, in der der laterale MOSFET 50 bestimmungsgemäß als Schalter betrieben wird, wieder schnell abgebaut.Flow direction of inverted diode operated, only a small storage charge built up. This storage charge is rapidly reduced again when transitioning to forward operation, the operating mode in which the lateral MOSFET 50 is operated as a switch.
Der geringe Speicherladungsaufbau und der rasche Speicherladungsabbau werden dabei insbesondere durch die spezifischen Materialeigenschaften von Siliciumcarbid begünstigt. Außerdem können im Zuge der Ionenimplantation des Basis-Gebiets 513 auch gezielt zusätzliche Defektstellen in den Bereich des pn- Übergangs der Inversdiode eingebracht werden. Diese Defektstellen dienen dann als Rekombinationszentren und führen somit zu einem raschen Abbau von injizierten Ladungsträgern. Deshalb kann die Halbleitervorrichtung 100 mit einer sehr hohen Schaltfrequenz bis in die Größenordnung von mindestens 100 kHz betrieben werden.The low accumulation of storage charge and the rapid reduction in storage charge are particularly favored by the specific material properties of silicon carbide. In addition, in the course of the ion implantation of the base region 513, additional defect sites can also be deliberately introduced into the region of the pn junction of the inverse diode. These defects then serve as recombination centers and thus lead to a rapid breakdown of injected charge carriers. Therefore, the semiconductor device 100 can be operated with a very high switching frequency up to the order of magnitude of at least 100 kHz.
Der laterale MOSFET 50 umfaßt außerdem einen parasitären bi- polaren Transistor, der durch das Source-Kontaktgebiet 511 das Basis-Gebiet 513 und die Halbleiterschicht 20 gebildet wird. Um das Einschalten dieses parasitären bipolaren Tran- stors zu verhindern, kann der Bereich unterhalb des Source- Kontaktgebiets 511 eine höhere p-Dotierung enthalten als das übrige Basis-Kontaktgebiet 513. Diese höhere p-Dotierung ist in Figur 1 nicht dargestellt. Man spricht im Zusammenhang mit dieser Maßnahme auch davon, daß die Latch-up-Festigkeit verbessert wird.The lateral MOSFET 50 also comprises a parasitic bipolar transistor which is formed by the source contact region 511, the base region 513 and the semiconductor layer 20. To turn on this parasitic bipolar trans- To prevent interference, the area below the source contact region 511 may contain a higher p-doping than the rest of the base contact region 513. This higher p-doping is not shown in FIG. In connection with this measure, it is also said that the latch-up strength is improved.
Zur elektrischen Isolation ist an den seitlichen Rändern des lateralen MOSFETs 50 ein Graben 30 vorgesehen. Dieser Graben 30 ist so tief, daß er sich über die Halbleiterschicht 20 hinaus bis in das semiisolierende SiC-Substrat 10 erstreckt. An seinen Rändern ist der Graben 30 mit einer zweiten dielektrischen Isolationsschicht 31 bedeckt. Die zweite dielektrische Isolationsschicht 31 kann wie die erste Isolations- schicht 54 aus Si02 bestehen. Alternativ dazu ist jedoch auch hier jedes andere dielektrische Material, wie z.B. Polyimid, möglich. Außerdem ist es gemäß eines anderen nicht gezeigten Ausführungsbeispiels auch möglich, an den Rändern des Grabens 30 überhaupt keine Isolationsschicht 31 vorzusehen.A trench 30 is provided on the lateral edges of the lateral MOSFET 50 for electrical insulation. This trench 30 is so deep that it extends beyond the semiconductor layer 20 into the semi-insulating SiC substrate 10. The trench 30 is covered at its edges with a second dielectric insulation layer 31. Like the first insulation layer 54, the second dielectric insulation layer 31 can consist of SiO 2 . Alternatively, however, any other dielectric material, such as polyimide, is also possible here. In addition, according to another exemplary embodiment, not shown, it is also possible not to provide any insulation layer 31 at the edges of the trench 30.
Der in Figur 1 dargestellte laterale MOSFET 50 erfüllt damit alle Voraussetzungen für eine Integration mehrerer derartiger lateraler MOSFETs 50 auf einem einzigen Substrat 10. Die elektrische Isolation gegenüber der ersten Substratoberfläche 11 wird durch das semiisolierende SiC-Substrat 10 selbst gewährleistet. Die elektrische Isolation gegenüber benachbarten Bauelementen, wie z.B. einem weiteren lateralen MOSFET 50, ergibt sich durch den Graben 30. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von SiC wird die durch Verluste hervorgerufene Abwärme sicher über das Substrat 10 abgeführt. Dies ist auch dann noch gewährleistet, wenn mehrere, z.B. zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit parallelgeschaltete MOSFETs 50 auf einem Substrat 10 integriert sind.The lateral MOSFET 50 shown in FIG. 1 thus fulfills all the requirements for integrating a plurality of such lateral MOSFETs 50 on a single substrate 10. The electrical insulation from the first substrate surface 11 is ensured by the semi-insulating SiC substrate 10 itself. Electrical insulation from neighboring components, e.g. a further lateral MOSFET 50 results from the trench 30. Because of the high thermal conductivity of SiC, the waste heat caused by losses is reliably dissipated via the substrate 10. This is still guaranteed if several, e.g. to increase the current carrying capacity, parallel-connected MOSFETs 50 are integrated on a substrate 10.
In Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eineIn Figure 2 is another embodiment of a
Halbleitervorrichtung 110 mit einem lateralen MOSFET 50 dargestellt. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel von Figur 1 enthält die Halbleitervorrichtung 110 von Figur 2 kein semiisolierendes Substrat 10, sondern ein schwach p-dotiertes Substrat 13 aus 6H-SiC. Auf die zweite Substratoberfläche 12 ist zusätzlich eine stark p-dotierte Zwischenschicht 14 epi- taktisch aufgewachsen. Auf dieser Zwischenschicht 14 ist die ebenfalls epitaktisch gewachsene Halbleiterschicht 20 angeordnet .Semiconductor device 110 shown with a lateral MOSFET 50. In contrast to the exemplary embodiment in FIG. 1 The semiconductor device 110 of FIG. 2 does not contain a semi-insulating substrate 10, but rather a weakly p-doped substrate 13 made of 6H-SiC. A heavily p-doped intermediate layer 14 has additionally grown epitaxially on the second substrate surface 12. The semiconductor layer 20, which has also grown epitaxially, is arranged on this intermediate layer 14.
Zwischen der Halbleiterschicht 20 und der Zwischenschicht 14 ergibt sich aufgrund der entgegengesetzten Dotierung ein ganzflächiger pn-Übergang 15, der die Halbleiterschicht 20 elektrisch gegenüber der ersten Substratoberfläche 11 isoliert. Die seitliche Isolation des lateralen MOSFETs 50 erfolgt analog zum Ausführungsbeispiel von Figur 1 über den Graben 30, der sich hier bis in das schwach p-dotierte Substrat 13 erstreckt.Due to the opposite doping, a pn junction 15 results between the semiconductor layer 20 and the intermediate layer 14, which electrically insulates the semiconductor layer 20 from the first substrate surface 11. The lateral isolation of the lateral MOSFET 50 takes place analogously to the exemplary embodiment from FIG. 1 via the trench 30, which here extends into the weakly p-doped substrate 13.
Die im Zusammenhang mit Figur 1 genannten Vorteile gelten für das Ausführungsbeispiel von Figur 2 analog. Insbesondere weist auch das schwach p-dotierte Substrat 13 eine vergleichbar gute Wärmeleitfähigkeit wie das semiisolierende SiC- Substrat 10 auf.The advantages mentioned in connection with FIG. 1 apply analogously to the exemplary embodiment in FIG. In particular, the weakly p-doped substrate 13 also has a comparably good thermal conductivity as the semi-insulating SiC substrate 10.
Es versteht sich, daß alle im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 genannten Leitungstypen auch durch den jeweils entgegengesetzten Leitungstyp ersetzt werden können.It goes without saying that all of the line types mentioned in connection with FIGS. 1 and 2 can also be replaced by the respectively opposite line type.
In Figur 3 ist eine Draufsicht auf die Halbleitervorrichtungen 100 und 110 der Ausführungsbeispiele der Figuren 1 und 2 dargestellt. Zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit kann der laterale MOSFET 50 dahingehend modifiziert werden, daß die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Strukturen in lateraler Richtung mehrfach wiederholt werden. Durch Driftgebiete 544 voneinander getrennt wechseln sich dann innerhalb der Halblei- terschicht 20 Bereiche mit Drain-Kontaktgebieten 521 und Bereiche, die jeweils ein Basis-Gebiet 513, das zugehörige Basis-Kontaktgebiete 512 und die zugehörigen Source-Kontakt- gebieten 511 umfassen, miteinander ab. Die einander entsprechenden Teilgebiete der einzelnen Bereiche sind dann jeweils parallelgeschaltet .FIG. 3 shows a top view of the semiconductor devices 100 and 110 of the exemplary embodiments in FIGS. 1 and 2. To increase the current carrying capacity, the lateral MOSFET 50 can be modified such that the structures shown in FIGS. 1 and 2 are repeated several times in the lateral direction. Separated from one another by drift regions 544, regions with drain contact regions 521 and regions, each having a base region 513, the associated base contact regions 512 and the associated source contact regions, then alternate within the semiconductor layer 20. areas 511 include, from each other. The corresponding subregions of the individual areas are then connected in parallel.
Ein solcher Aufbau ist in Figur 3 gezeigt. Er umfaßt zwei ineinandergreifende kammartige Strukturen. Die Zinken dieser kammartigen Strukturen entsprechen dabei jeweils den Drain- Elektroden 52 bzw. den Source-Elektroden 51. Die erste dielektrische Isolationsschicht 54 isoliert die Zinken der Drain-Elektroden 52 von denen der Source-Elektroden 51. DieSuch a structure is shown in Figure 3. It comprises two interlocking comb-like structures. The tines of these comb-like structures correspond to the drain electrodes 52 and the source electrodes 51, respectively. The first dielectric insulation layer 54 insulates the tines of the drain electrodes 52 from those of the source electrodes 51
Zinken der beiden kammartigen Strukturen sind elektrisch leitend jeweils mit einem Steg verbunden, der als Drain-Anschlußbereich 525 bzw. als Source-Anschlußbereich 515 dient.Tines of the two comb-like structures are each electrically conductively connected to a web, which serves as a drain connection region 525 and as a source connection region 515.
Da die Gate-Elektroden 53 durch die darüber angeordnete erste dielektrische Isolationsschicht 54 und auch durch die Source- Elektrode überdeckt werden, ist ihr jeweiliger Verlauf in Figur 3 nur gestrichelt dargestellt. Die einzelnen Gate-Elektroden 53 münden ebenfalls in einen gemeinsamen Gate-An- schlußbereich 535, der genau unterhalb des Source-Anschluß- bereichs 515 verläuft. In dem Source-Anschlußbereich 515 ist deshalb eine Ausnehmung 536 vorgesehen, die den darunterliegenden Gate-Anschlußbereich 535 für eine elektrische Kontak- tierung zugänglich macht.Since the gate electrodes 53 are covered by the first dielectric insulation layer 54 arranged above them and also by the source electrode, their respective course is only shown in broken lines in FIG. 3. The individual gate electrodes 53 likewise open into a common gate connection region 535 which runs exactly below the source connection region 515. A recess 536 is therefore provided in the source connection region 515, which makes the underlying gate connection region 535 accessible for electrical contacting.
Die gesamte Halbleitervorrichtung 100 bzw. 110 ist in dem Ausführungsbeispiel von Figur 3 durch einen rings um die Halbleitervorrichtung 100 bzw. 110 verlaufenden Graben 30 in seitlicher Richtung elektrisch isoliert. Auf den der Halblei- tervorrichtung 100 bzw. 110 abgewandten Seiten dieses Grabens 30 können weitere Bauelemente auf demselben Substrat 10 bzw. 13 angeordnet sein. Diese Bauelemente sind dann elektrisch gegenüber der Halbleitervorrichtung 100 bzw. 110 isoliert.In the exemplary embodiment from FIG. 3, the entire semiconductor device 100 or 110 is electrically insulated in the lateral direction by a trench 30 running around the semiconductor device 100 or 110. Further components can be arranged on the same substrate 10 or 13 on the sides of this trench 30 facing away from the semiconductor device 100 or 110. These components are then electrically insulated from the semiconductor device 100 or 110.
In Figur 4 ist eine Halbleitervorrichtung in Form eines integrierten zweiphasigen Umrichters 200 dargestellt, der eine an sich bekannte Zusammenschaltung von insgesamt vier MOSFETs Tl ... T4 beinhaltet. Die MOSFETs Tl ... T4 besitzen jeweils drei elektrische Anschlüsse, die als Drain-Anschluß Dl ... D4, als Source-Anschluß SI ... S4 und als Gate-Anschluß Gl ... G4 bezeichnet werden. Drain-Anschluß Dl ... D4, Source- Anschluß SI ... S4 und Gate-Anschluß Gl ... G4 entsprechen dabei jeweils den in Figur 3 genannten Anschlußbereichen, Drain-Anschlußbereich 525, Source-Anschlußbereich 515 bzw. Gate-Anschlußbereich 535.FIG. 4 shows a semiconductor device in the form of an integrated two-phase converter 200 which has a known interconnection of a total of four MOSFETs T1 ... includes T4. The MOSFETs Tl ... T4 each have three electrical connections, which are referred to as drain connection Dl ... D4, as source connection SI ... S4 and as gate connection Gl ... G4. Drain connection D1 ... D4, source connection SI ... S4 and gate connection Gl ... G4 each correspond to the connection areas mentioned in FIG. 3, drain connection area 525, source connection area 515 and gate connection area 535.
Antiparallel zu jedem MOSFET Tl ... T4 ist jeweils eine Freilaufdiode FD1 ... FD4 geschaltet. Der Aufbau der Kombination aus den MOSFETs Tl bis T4 und den Freilaufdioden FD1 ... FD4 entspricht dabei jeweils dem in den vorherigen Figuren für den lateralen MOSFET 50 beschriebenen. Insbesondere stellen die Freilaufdioden FDl ... FD4 die integrale Inversdiode des jeweiligen lateralen MOSFETs 50 dar. Alle MOSFETS Tl ... T4 und Freilaufdioden FDl ... FD4 sind auf einem einzigen Substrat 10 bzw. 13 angeordnet. Der Umrichter 200 hat damit eine sehr kompakte Bauform. Gleichzeitig ist der integrierte Um- richter 200 trotz seiner geringen Baugröße für eine Sperrspannung von 1200 V und eine Schaltfrequenz von mindestens bis zu 100 kHz ausgelegt.A free-wheeling diode FD1 ... FD4 is connected antiparallel to each MOSFET Tl ... T4. The structure of the combination of the MOSFETs T1 to T4 and the freewheeling diodes FD1 ... FD4 corresponds in each case to that described for the lateral MOSFET 50 in the previous figures. In particular, the freewheeling diodes FD1 ... FD4 represent the integral inverse diode of the respective lateral MOSFET 50. All MOSFETS Tl ... T4 and freewheeling diodes FDl ... FD4 are arranged on a single substrate 10 and 13, respectively. The converter 200 thus has a very compact design. At the same time, the integrated converter 200, despite its small size, is designed for a reverse voltage of 1200 V and a switching frequency of at least up to 100 kHz.
Außerdem wird durch einen gemeinsamen Herstellungsprozeß der einzelnen MOSFETs Tl ... T4 ein praktisch identisches Layout erreicht, wodurch der Umrichter 200 symmetrisch arbeitet. Der Umrichter 200 ist außerdem für eine sehr hohe Schaltfrequenz geeignet, da die integrierten Freilaufdioden FDl ... FD4 zum einen aufgrund ihrer niedrigen Speicherladung ein schnelles Schaltvermögen besitzen und zum anderen aufgrund der relativ hohen SchwellSpannung von 3 V durch entsprechend synchrone Ansteuerungen an den jeweiligen Gate-Anschlüssen Gl ... G4 auf einfache Weise sogar komplett ausgeschaltet werden können.In addition, a practically identical layout is achieved through a common manufacturing process of the individual MOSFETs T1 ... T4, as a result of which the converter 200 operates symmetrically. The converter 200 is also suitable for a very high switching frequency, since the integrated free-wheeling diodes FD1 ... FD4 have a fast switching capacity on the one hand due to their low storage charge and on the other hand due to the relatively high threshold voltage of 3 V by means of correspondingly synchronous controls on the respective gate Connections Gl ... G4 can even be switched off completely in a simple manner.
Mit Hilfe des Umrichters 200 kann nun aus einer an einem Eingang anstehenden Gleichspannung UDC bei entsprechender An- Steuerung an den jeweiligen Gate-Anschlüssen Gl ... G4 eine Wechselspannung UAc erzeugt werden. Über die an einem Ausgang anstehende Wechselspannung UAC läßt sich dann beispielsweise ein nicht dargestellter zweiphasiger elektrischer Verbraucher mit elektrischer Energie versorgen.With the aid of the converter 200, a direct voltage U DC present at an input can now be Control at the respective gate connections Gl ... G4 an AC voltage U A c are generated. A two-phase electrical consumer (not shown) can then be supplied with electrical energy via the AC voltage U AC present at an output, for example.
In Figur 5 ist ein integrierter dreiphasiger Umrichter 300 dargestellt, der die elektrische Gleichspannung UDc in eine Drehspannung umwandelt, die über Phasenanschlüsse Ll, L2 und L3 einem dreiphasigen Verbraucher zur Verfügung gestellt werden kann. Der dreiphasige Umrichter 300 enthält insgesamt sechs MOSFETs Tl ... T6 in an sich bekannter Zusammenschaltung. Jeder MOSFET Tl ... T6 hat einen Drain-Anschluß Dl ... D6, einen Source-Anschluß SI ... S6 und einen Gate-Anschluß Gl ... G6 sowie eine antiparallele, integrierte Freilaufdiode FDl ... FD6. Der Umrichter 300 ist wiederum auf einem einzigen SiC-Substrat 10 bzw. 13 integriert.FIG. 5 shows an integrated three-phase converter 300, which converts the electrical direct voltage U D c into a three-phase voltage, which can be made available to a three-phase consumer via phase connections L1, L2 and L3. The three-phase converter 300 contains a total of six MOSFETs Tl ... T6 in an interconnection known per se. Each MOSFET Tl ... T6 has a drain connection Dl ... D6, a source connection SI ... S6 and a gate connection Gl ... G6 as well as an anti-parallel, integrated free-wheeling diode FDl ... FD6. The converter 300 is in turn integrated on a single SiC substrate 10 or 13.
In Figur 6 ist eine Draufsicht auf den integrierten dreipha- sigen Umrichter 300 von Figur 5 dargestellt. Entsprechend der Zusammenschaltung der einzelnen MOSFETs Tl ... T6 sind in Figur 6 Anschlußbereiche zu erkennen, die mehreren MOSFETs Tl ... T6 zugeordnet sind. Da in diesem Fall eine elektrische Verbindung zwischen den einzelnen MOSFETs Tl ... T6 erwünscht ist, ist im Bereich dieser Kontaktstellen kein isolierender Graben 30 vorgesehen. Der Graben 30 verläuft dagegen nur in den Bereichen, in denen aufgrund der elektrischen Funktionsweise und des Schaltplans gemäß Figur 5 eine elektrische Isolation erforderlich istFIG. 6 shows a top view of the integrated three-phase converter 300 from FIG. 5. Corresponding to the interconnection of the individual MOSFETs T1 ... T6, connection regions can be seen in FIG. 6, which are assigned to several MOSFETs T1 ... T6. Since an electrical connection between the individual MOSFETs T1 ... T6 is desired in this case, no insulating trench 30 is provided in the area of these contact points. The trench 30, on the other hand, runs only in those areas in which electrical insulation is required due to the electrical functioning and the circuit diagram according to FIG
Der geringe Platzbedarf des integrierten dreiphasigen Umrichters 300 kommt in Figur 6 deutlich zum Ausdruck. Auch der integrierte dreiphasige Umrichter 300 ist für eine Sperrspannung von 1200 V und eine Schaltfrequenz von bis zu 100 kHz ausgelegt. Sowohl der zweiphasige Umrichter 200 als auch der dreiphasige Umrichter 300 können jedoch auch für eine höhere Sperrspannung und eine höhere Schaltfrequenz ausgelegt werden.The small space requirement of the integrated three-phase converter 300 is clearly expressed in FIG. 6. The integrated three-phase converter 300 is also designed for a reverse voltage of 1200 V and a switching frequency of up to 100 kHz. However, both the two-phase converter 200 and the three-phase converter 300 can also be used for a higher one Reverse voltage and a higher switching frequency can be designed.
Neben den Leistungsschaltelementen in Form der MOSFETs Tl ... T6 kann auf dem gemeinsamen Substrat 10 bzw. 13 auf einer von den MOSFETs Tl ... T6 abgewandten Seite des Grabens 30 zusätzlich mindestens ein weiteres Bauelement z.B. mit einer logischen Funktion mitintegriert sein. In diesem Bauelement kann beispielsweise eine Schutzfunktion gegen Übertemperatur oder Überlast in SiC-CMOS-Technologie realisiert sein. In addition to the power switching elements in the form of the MOSFETs T1 ... T6, at least one further component, for example, can also be provided on the common substrate 10 or 13 on a side of the trench 30 facing away from the MOSFETs T1 ... T6. be integrated with a logical function. In this component, for example, a protective function against overtemperature or overload can be implemented in SiC-CMOS technology.

Claims

Patentansprüche claims
1. Halbleitervorrichtung mit mindestens einem lateralen Leistungselement (50) , wobei das Leistungselement (50) innerhalb einer Halbleiterschicht (20) aus einem Halbleitermaterial mit einem Bandabstand von mindestens 2 eV angeordnet sowie zumindest teilweise durch einen Graben (30) in der Halb- leiterschicht (20) seitlich begrenzt ist, und die Halbleiterschicht (20) auf einem Substrat (10, 13) mit einer größeren Wärmeleitfähigkeit als der von Silicium angeordnet sowie gegenüber einer der Halbleiterschicht (20) abgewandten Substratoberfläche (11) elektrisch isoliert ist.1. Semiconductor device with at least one lateral power element (50), the power element (50) being arranged within a semiconductor layer (20) made of a semiconductor material with a band gap of at least 2 eV and at least partially through a trench (30) in the semiconductor layer ( 20) is limited laterally, and the semiconductor layer (20) is arranged on a substrate (10, 13) with a greater thermal conductivity than that of silicon and is electrically insulated from a substrate surface (11) facing away from the semiconductor layer (20).
2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Halbleiterschicht (20) Siliciumcarbid, Galliumnitrid oder Diamant zumindest enthält.2. The semiconductor device as claimed in claim 1, wherein the semiconductor layer (20) at least contains silicon carbide, gallium nitride or diamond.
3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Halbleiterschicht3. The semiconductor device as claimed in claim 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the semiconductor layer
(20) Siliciumcarbid des 6H- oder 15R-Polytyps zumindest ent- hält.(20) at least contains silicon carbide of the 6H or 15R polytype.
4. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Substrat (10, 13) Siliciumcarbid oder Aluminiumnitrid zumindest enthält.4. Semiconductor device according to one of claims 1 to 3, that the substrate (10, 13) at least contains silicon carbide or aluminum nitride.
5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Substrat (10) semiisolierendes Siliciumcarbid zumindest enthält.5. The semiconductor device as claimed in claim 4, so that the substrate (10) at least contains semi-insulating silicon carbide.
6. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sich zwi- sehen dem Substrat (13) und der Halbleiterschicht (20) zur elektrischen Isolation ein pn-Übergang (15) befindet.6. Semiconductor device according to one of claims 1 to 4, characterized in that between see the substrate (13) and the semiconductor layer (20) for electrical insulation, a pn junction (15).
7. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden An- sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Tiefe des Grabens (30) mindestens so groß ist wie die Dicke der Halbleiterschicht (20) .7. Semiconductor device according to one of the preceding claims, so that the depth of the trench (30) is at least as large as the thickness of the semiconductor layer (20).
8. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden An- sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Graben (30) das Leistungselement (50) komplett umgibt.8. Semiconductor device according to one of the preceding claims, that the trench (30) completely surrounds the power element (50).
9. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden An- sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Graben (30) benachbarte Leistungselemente (50) elektrisch voneinander isoliert.9. Semiconductor device according to one of the preceding claims, that the trench (30) electrically isolates adjacent power elements (50) from one another.
10. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden An- sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der zwischen zwei benachbarten Leistungselementen (50) verlaufende Graben (30) durch einen Bereich der Halbleiterschicht (20) unterbrochen ist, der einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den beiden benachbarten Leistungselemen- ten (50) dient.10. Semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that the trench (30) running between two adjacent power elements (50) is interrupted by a region of the semiconductor layer (20) which provides an electrically conductive connection between the two adjacent power elements (50) serves.
11. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Leistungselement (50) als Diode oder als Feldeffekt- transistor, insbesondere als JFET, MESFET oder als MOSFET vorgesehen ist.11. Semiconductor device according to one of the preceding claims, that the power element (50) is provided as a diode or as a field effect transistor, in particular as a JFET, MESFET or as a MOSFET.
12. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, g e k e n n z e i c h n e t durch ein als MOSFET ausgebildetes Lei- stungselement (50) , wobei eine als Freilaufdiode einsetzbare Inversdiode integraler Bestandteil des MOSFETs ist. 12. The semiconductor device as claimed in claim 11, characterized by a power element (50) designed as a MOSFET, an inverse diode which can be used as a freewheeling diode being an integral part of the MOSFET.
13. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß vier Leistungselemente (50) in Form lateraler Feldeffekttransistoren (Tl, T2, T3, T4) zu einem zweiphasigen Umrichter (200) zusammengeschaltet sind.13. The semiconductor device as claimed in one of the preceding claims, that four power elements (50) in the form of lateral field effect transistors (T1, T2, T3, T4) are connected together to form a two-phase converter (200).
14. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sechs Leistungselemente (50) in Form lateraler Feldef- fekttransistoren (Tl, T2, T3, T4, T5, T6) zu einem dreiphasigen Umrichter (300) zusammengeschaltet sind.14. The semiconductor device as claimed in one of the preceding claims, that six power elements (50) in the form of lateral field effect transistors (T1, T2, T3, T4, T5, T6) are connected together to form a three-phase converter (300).
15. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zusätzlich mindestens ein Bauelement mit einer Kleinsignalfunktion mit auf dem Substrat (10, 13) integriert ist. 15. Semiconductor device according to one of the preceding claims, that a at least one component is additionally integrated with a small signal function on the substrate (10, 13).
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