JP2002526929A - 少なくとも2つの半導体デバイスを有する電子的スイッチング装置 - Google Patents
少なくとも2つの半導体デバイスを有する電子的スイッチング装置Info
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Abstract
Description
子を有する第1の半導体デバイスと、第2の陰極端子、第2の陽極端子および第
2のゲート端子を有する第2の半導体デバイスとを含み、第1の陽極端子および
第2の陰極端子が電気的に短絡された電子的スイッチング装置に関する。
および米国特許第 5,396,085号明細書から公知である。それぞれ公知の電子的ス
イッチング装置は、さらに第1の陰極端子と第2のゲート端子との間に導電的な
接続を含んでいる。2つの半導体デバイスの一括回路は直列回路とも呼ばれる。
電子的スイッチング装置は高い電流をスイッチングする役割をし、また阻止電圧
の高いものとして設計されている。第1の半導体デバイスはシリコン(Si)から
成り、かつシリコン内の高いキャリア移動度に基づいてスイッチング速度を高く
する役割をする。第2の半導体デバイスは106V/cmよりも大きい破壊電界
強度を有する、特にシリコンカーバイド(SiC)から成る半導体材料から成り、
また阻止電圧を高くする役割をする。
圧制御されるSi MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Tran
sistor)は、導通状態で、Si MOSFETにより克服すべき阻止電圧と共に阻止状態
で増大する静的な損失を有する。シリコンの場合、600Vを越える阻止電圧に
対して設計された電力用MOSFETの静的な損失電力は、5A以上の導通電流の際に
過大になる。従って、上記のオーダーの阻止電圧と通過電流を伴う応用の場合、
高いスイッチング速度にもかかわらず、Si MOSFETはもはや使用できない。
および電子的スイッチング装置を、全体として作動電圧の予め定められた極性に
おいて第1のゲート端子に生じている制御電圧により導通状態と阻止状態との間
で切換えることは知られている。電子的スイッチング装置が阻止状態にあるなら
ば、少なくとも1つのpn接合の空乏層(キャリアの空乏、従ってまた高い電気
抵抗を有する領域・空間電荷領域)はSiCから成る第2の半導体デバイスのチャ
ネル領域を狭窄する。第1の陰極端子と第2の陽極端子との間に加わる阻止すべ
き作動電圧の最大の部分は、この空乏層における電圧降下である。使用したシリ
コンカーバイドの高い破壊電界強度に基づき、pn接合、特にその空乏層は、シ
リコン内に形成される等しいキャリア濃度および寸法を持つpn接合よりも明ら
かに高い阻止電圧を示す。阻止電圧の最大の部分は、第2の半導体デバイス内の
電圧降下であるから、第1の半導体デバイスは阻止電圧の残りの部分に対しての
み設計すればよい。このことは、導通作動中にシリコンから成る第1の半導体デ
バイスの損失電力がはるかに減ずるという結果を伴う。
ており、かつチャネル領域は開いている。この結果、チャネル領域を通って電流
が流れる。電子的スイッチング装置の全損失電力は、第1および第2の半導体デ
バイスの損失を含む。これらの全損失は、等しい阻止電圧に対して設計された純
粋なシリコン半導体デバイスの際よりも明らかに小さい。
の半導体デバイスの集積が公知である。全面がSiCから成る第2の半導体デバイ
スの表面上に被着された第2の陰極端子に対するメタライズ層は、その際同時に
Siから成る第1の半導体デバイスの第1の陽極端子に対するメタライズ層として
の役割を果たす。
SiCから成る第2の半導体デバイスの直列回路を有する類似の電子的スイッチン
グ装置は知られている。しかし相違点は、Siから成る範囲もSiCから成る範囲も
含んでいる複合基板の使用にある。両方の半導体デバイスは複合基板のこれらの
範囲内に実現されている。
)のMOSFETおよび化合物半導体、例えばヒ化ガリウム(GaAs)およびリン化イン
ジウム(InP)から成るSIT(Stated Induction Transistor)の直列回路が公
知である。この電子的装置は、先ず高周波応用において非常に高速のスイッチン
グ装置としての役割をする。
デバイスの第2のゲート端子に負帰還作用をする。電子的スイッチング装置を通
る電流の上昇と共に、第2の陰極端子に対する第2のゲート端子の負バイアス電
圧も増大する。両端子間に位置するpn接合の空乏層は、それに伴いさらに電流
の流れに対して予定されているチャネル領域内に広がる。それによって、電子的
スイッチング装置を通る電流の増大と共に、第2の半導体デバイスの導通抵抗も
高くなる。
開示されている電子的スイッチング装置では、第2の半導体デバイスのpn接合
に相応のバイアス電圧を与える。このpn接合は、阻止層電界効果トランジスタ
(Sperrschicht‐Feldeffecttransistor・JFET)として構成されている第2の半
導体デバイス内で、第2のゲート端子と第2の陰極端子との間に位置する。その
際バイアス電圧は、pn接合が、従ってまたJFET全体も、双極性の伝導状態にあ
るよう選ばれる。即ちバイアス電圧はこのpn接合の拡散電圧よりも大きい。シ
リコンの拡散電圧は0.6〜0.7Vのオーダーである。pn接合の双極性の作
動により、第2の半導体デバイスの駆動は無電力では行えない。pn接合を経て
流れるこの電流に基づいて、第2のゲート端子はより安定に、かつ特により大き
く設計せねばならず、それに伴い第2の半導体デバイスの本来の能動的な範囲に
対する領域が失われる。その結果、電子的スイッチング装置の電流スイッチング
能力が低下する。第2のゲート端子における電流は、さらにスイッチング過程の
開始時に、pn接合のキャパシタンスが充電又は再充電されなければならないこ
とに通ずる。それによって達成可能なスイッチング速度も低下する。
導通抵抗および同時に良好な電流スイッチング能力ならびに高いスイッチング速
度を有する電子的スイッチング装置を提供することである。
子的スイッチング装置では、第1のゲート端子に与えられる制御電圧が部分的に
第2のゲート端子にも与えられ、第2のゲート端子に与えられる制御電圧の部分
の大きさが、第2の半導体デバイスのゲート陰極間電圧が、第2の半導体デバイ
ス内で第2のゲート端子と第2の陰極端子との間に位置しているpn接合の拡散
電圧よりも常に小さくなるように選ばれている。
利な作用が、第2のゲート端子が第1の陰極端子と短絡されていなくとも達成さ
れるという認識に基づく。従来技術で設けられていたこの電気的接続の切り離し
は、さらに第2の半導体デバイスの導通抵抗の上昇という結果を伴う、第2の半
導体デバイスへの第1の半導体デバイスの導通抵抗の負帰還作用を避けられると
いう利点をもたらす。この脱結合により、第2の半導体デバイスの導通抵抗が、
定格電流範囲内で本質的に電子的スイッチング装置を通って流れる電流に無関係
となる。即ち、第1のゲート端子に加わる制御電圧の第2のゲート端子への部分
結合は、拡散電圧により生ずる第2の半導体デバイスのチャネル領域内の空乏層
を明らかに減少させ、それに伴い導通抵抗を減少させる。第2の半導体デバイス
の導通抵抗の減少と共に、電子的スイッチング装置の全導通抵抗も減少する。
散電圧よりも小さいゲート陰極間電圧を生じさせるので、pn接合も双極性にス
イッチングされない、即ち伝導状態にスイッチングされない。取るに足るほどの
電流の流れが第2のゲート端子に生じない。それによって、良好な電流スイッチ
ング能力を等しく保って、また同じく高いスイッチング速度を等しく保って、非
常に低い導通抵抗が生ずる。駆動が、有利な方法で依然として無電力で行われる
ので、第2のゲート端子のディメンジョニングを不変に小さくとどめることがで
きる。さらにpn接合内に取るに足るほどの双極性の注入も行われない。
という措置により、電子的スイッチング装置の阻止能力は阻害されない。阻止状
態への切換のために第1のゲート端子に特に0Vの制御電圧が必要なので、第2
のゲート端子も実際上第1のゲート端子と等しい電位にある。しかしそれによっ
て阻止状態で、従来の技術における状況と比較可能な状況が存在する。しかし導
通状態への切換のために必要な正の制御電圧は、同時に第2のゲート端子への部
分結合に基づいて、第2の半導体デバイス内の電流に対するチャネル領域の改善
された通電能力をも生じさせる。阻止状態では、このチャネル領域は従来の技術
の際のように空乏層により狭窄され、その際に全空乏層が電子的スイッチング装
置に与えられた阻止電圧の大きな部分を担う。
に示されている。
第2のゲート端子と第2の陰極端子との間に位置するpn接合の拡散電圧の、高
々3分の2の値を有するゲート陰極間電圧に通ずる実施例は特に望ましい。拡散
電圧に対するこの追加的な安全裕度は、pn接合を経ての、いずれにせよ低い電
流の流れを一層減ずる。
接続した第1の電気的な結合抵抗により実現するとよい。第1の結合抵抗の抵抗
値の設定により、第1のゲート端子に与えられている制御電圧の、第2のゲート
端子において降下する割合が設定できる。この設定は、別の有利な実施例のよう
に、制御電圧の第2のゲート端子で降下した成分を第1のゲート端子と第1の陰
極端子との間に接続した分圧器を介して取り出すならば、一層正確に行える。こ
の分圧器は、第1および第2の結合抵抗を含む。
第1の結合抵抗に対して並列に、また第2のダイオードを第2の結合抵抗に対し
て並列に接続する。それにより阻止状態と導通状態との切換時、第2のゲート端
子と第2の陰極端子との間のキャパシタンスの充電又は放電過程が加速される。
れる。しかし他の抵抗形式、例えば静電容量性又は任意の複合性の抵抗を使用す
ることも可能である。
現される。シリコンは、高いキャリア移動度に基づき非常に高いスイッチング速
度を可能にする。
成されている。この場合、第1の半導体デバイスは第1のゲート端子に与えられ
る電圧を介して、導通状態にスイッチングする。第1のゲート端子は、この実施
例ではMOSFETのゲート電極に相応する。MOSFETがn形のチャネルを有する自己阻
止性のMOSFETであると望ましい。それによってMOSFETが正の制御電圧を介して阻
止状態から導通状態へスイッチングする。
mの破壊電界強度を有する半導体材料により実現されている。それにより第2の
半導体デバイスに要求される、阻止状態での高い阻止能力が得られる。適当な半
導体材料はダイアモンド、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒
化インジウム(InN)および特にシリコンカーバイド(SiC)である。後者では特
にポリ形式3C、4H、6Hおよび15RSiCが適している。
タとして構成された第2の半導体デバイスを含む。それにより、電子的スイッチ
ング装置を経て流れる電流が非常に簡単かつ迅速に、第1の半導体デバイスにお
けるスイッチング走査のみで制御される。
on Field Effect Transistor=JFET)として構成するのが好ましい。このト
ランジスタ形式では、電流が外部から制御可能な阻止層(Sperrschict)、特に
例えばpn接合の空乏層により制御される。空乏層の空間的な広がりは、流れる
電流の大きさに対し支配的である。第2のゲート端子に加わる電圧値に関連し、
空乏層は電流の流れに対し多かれ少なかれ広いチャネル領域を開放し、又はこれ
を狭窄する。
る。
の半導体領域の表面において、第1の半導体領域の内側に、同じくn形の接触領
域が位置する。この接触領域は、その他の第1の半導体領域と等しい、又はそれ
よりも高い濃度にドープされている。それは第2の陰極端子を介して電気的に、
特にオーミックに接触している。第1の半導体領域の接触領域の外側に位置して
いる範囲は、第2のゲート端子を介して電気的に接触している。この接触はオー
ミック、ショットキのいずれの接触であってもよい。より多くの接触領域および
これらの接触領域の外側に位置するより多くの範囲が設けられており、それらが
それぞれ第2の陰極端子又は第2のゲート端子に接触していてもよい。上記の表
面と反対向きの側で、第1の半導体領域は第2の陽極端子を介して電気的に、特
にオーミックに接触している。第2の陰極端子と第2の陽極端子との間の電流は
垂直に、即ち表面に対して垂直に、第2の半導体デバイスを通って流れるので、
それは垂直形JFETとも呼ばれる。
する。該領域は、第2のゲート端子がオーミック接触を形成する程に高濃度にド
ープされている。より多くの第2半導体領域がJFET内に存在してもよい。一方で
n形の第1の半導体領域および場合によっては同じくn形の接触領域と、他方で
p形の第2の半導体領域との間に、空乏層を持つpn接合が形成される。この空
乏層は、第2のゲート端子を経て制御可能なJFETの阻止層を形成する。第2のゲ
ート端子に相応の電圧を与えることにより、第1のチャネル領域の内側を延びる
チャネルが、この空乏層により狭窄され又は完全に覆われる。
好ましい。選択的により多くの埋め込まれた島状領域を設けてもよい。埋め込ま
れたp形の島状領域は、特に表面に対し垂直な突起内に接触領域の突起が完全に
埋め込まれた島状領域の内側に位置するよう配置される。それにより第1の半導
体領域の内側に横方向の、即ち表面に対して平行に延びたn形のチャネル領域が
生ずる。それは一方では第1の半導体領域と第2の半導体領域との間のpn接合
の空乏層および他方では第1の半導体領域と埋め込まれた島状領域との間の別の
pn接合により境界付けられる。特に阻止状態で、埋め込まれた島状領域による
利点が生ずる。何故なら、埋め込まれた島状領域の下側に置かれた第1の半導体
領域のpn接合の部分が、大部分の阻止電圧の分担するからである。
れる。両方の上記のp形の帯域とn形の第1の半導体領域との間のpn接合の空
乏層は、第2のゲート端子を介して共通に制御される。
び第2の半導体デバイスがハイブリッド半導体構造に集積される。その際、特に
第1の陽極端子および第2の陰極端子の電極層が、両方の半導体デバイス間の接
続要素としての役割をする。両方の端子が短絡されているので、それらは、ハイ
ブリッド半導体構造内を第1の半導体デバイスと第2の半導体デバイスとの間を
ハイブリッド半導体構造の全基本面にわたって延びている単一の電極層により実
現される。それにより簡単な方法で、両半導体デバイスが相異なる半導体材料か
ら成り、またこれらの相異なる半導体材料がインタフェースにおいて互いに接触
するときに生ずる、両方の半導体デバイス間のインタフェースにおける機械的な
応力が避けられる。
図面は正しい尺度では描かれておらず、いくつかの特徴を概要図で示す。
導体デバイス100および第2の半導体デバイス200から成る。第1の半導体
デバイス100は自己阻止性のSi MOSFETとして、また第2の半導体デバイス2
00はSiC JFETとして構成されている。第1の半導体デバイス100は第1の
陽極端子A1、第1の陰極端子K1および第1のゲート端子G1を有し、また第
2の半導体デバイス200は第2の陽極端子A2、第2の陰極端子K2および第
2のゲート端子G2を有する。第1の陽極端子A1および第2の陰極端子K2は
電気的に短絡されている。
との間にかかっている電圧UA2K1又は電子的スイッチング装置300を通って流
れる電流Iを低損失かつ高速で電子的にスイッチングする役割をする。図1中に
示すように、正の作動電圧UA2K1を与えるならば、即ち第2の陽極端子A2が第
1の陰極端子にくらべて正の電位を有するならば、電子的スイッチング装置30
0は阻止状態と導通状態との間で切換わる。
圧UGK1により行われる。第1の半導体デバイス100はn形のチャネルを有す
る自己阻止性のSi MOSFETであるから、正の制御電圧UGK1は第1の半導体デバ
イス100を開く作用をし、また0Vの制御電圧UGK1は第1の半導体デバイス
100を閉じる作用をする。
2に導かれる。それにより導通状態で第2の半導体デバイス200の導通抵抗が
減少し、従ってまた電子的スイッチング装置300全体の導通抵抗も減少する。
第1の結合抵抗51は、その際第2のゲート端子G2を経て流れる静電容量性の
充電電流と第1の結合抵抗51との積が常に、SiC JFETの内部に第2のゲート
端子G2と第2の陰極端子K2との間に生ずる拡散電圧以下であるように設定し
なければならない。SiCに典型的な拡散電圧に対する値は3Vである。
第1の陰極端子K1と等しい電位にある。完全な作動電圧UA2K1は、その際特に
第2の陽極端子A2と第2のゲート端子G2との間に加わっており、それによっ
てSiC JFETとして構成された第2の半導体デバイス200は阻止され、また作
動電圧UA2K1の最大の部分を分担する。
てのみ設計される。一般的にその際、第1の陽極端子A1と第1の陰極端子K1
との間に与えられる最大の電圧(破壊電圧、阻止電圧)は350V以下、特に1
00V以下、好ましくは50V以下で十分である。50Vの最大の(阻止)電圧
、60mΩの導通抵抗および導通作動中に必要とされる電流に相応する定格通電
能力を有するSiemens社のBUZ101形のSi MOSFETは、その場合に例として適当
な選定である。他の適当なSi MOSFETは、例えば過温度又は過電圧に対する追加
的に集積された保護機能を有するいわゆるHITFETである。この点に関して適当な
HITFETは60Vの最大の(阻止)電圧、18mΩの導通抵抗および19Aの定格
電流を有する同じくSiemens社から市販されているBTS149である。一般に
350V以下の破壊電圧の際にはSi MOSFETのチャネル抵抗はドリフト抵抗より
も大きい。それにより、生ずる導通抵抗も全体として低い。
圧UGK1は、導通状態において、電流Iの増大と共に第1の半導体デバイス10
0の導通抵抗の負帰還作用に基づき第2のゲート端子G2と第2の陰極端子K2
との間に負のゲート陰極間電圧UGK2が生ずることを少なくとも十分に防止する
。即ち負のゲート陰極間電圧UGK2は電流の流通のために設けたチャネル領域の
狭窄、従ってまた第2の半導体デバイス200の導通抵抗の上昇を生じさせる。
第1の結合抵抗51を介して第2のゲート端子G2に部分結合される制御電圧U GK1 により、先ず正のゲート陰極間電圧UGK2が第2の半導体デバイス200に生
じ、それによってチャネル領域が広がり、かくして導通抵抗が減ぜられる。
デバイス200の陽極陰極間電圧UAK2と呼ばれる。
子的スイッチング装置300との相違点は、第2のゲート端子G2への制御電圧
UGK1の結合にある。これは図2の実施例では、第1のゲート端子G1と第1の
陰極端子K1との間の分圧器50を介して行われる。分圧器50は第1の結合抵
抗51とならんで第2の結合抵抗52をも含んでいる。分圧器50に対する適当
な分割比の選定により、第2のゲート端子G2に結合される制御電圧UGK1の割
合が非常に正確に設定される。
設定されている。第1の結合抵抗51に対する典型的な値は10kΩ、また第2
の結合抵抗52に対しては1kΩである。それによって15Vの典型的な制御電
圧UGK1の際に、典型的に2Vの成分が第2のゲート端子G2に結合される。一
般に制御電圧UGK1は5Vと30Vとの間の値を、また第2のゲート端子G2に
結合される割合は3V以下の値をとる。
陰極端子K2との間に位置するキャパシタンスが、分圧器50の両方の結合抵抗
51又は52の1つを経て放電又は充電される。しかし分圧器50の結合抵抗5
1および52は、所望の低い駆動電力に基づき高抵抗に設定されるので、比較的
大きいRC定数、従ってまた比較的ゆっくりした切換過程が生ずる。
スイッチング装置300は、追加的に第1又は第2の結合抵抗51又は52に並
列に接続された第1および第2のダイオードD1およびD2を含む。導通状態か
ら阻止状態への切換時の充電過程は、第1の結合抵抗51を経る代わりに第1の
ダイオードD1を経て、また阻止状態から導通状態への切換時の充電過程は、第
1の結合抵抗52を経る代わりに第2のダイオードD2を経て行われる。それに
よって両方の場合により一層速いスイッチング速度が達成される。導通又は阻止
状態自体では先に図1および2に関連して説明した電子的スイッチング装置30
0の特性が両方のダイオードD1およびD2の挿入により変化しない。
として構成されている。それによってこのダイオードは追加的に、制御電圧UGK 1 の過度に高い割合が第2のゲート端子G2に結合されないように保護する。
めに第2のゲート端子G2の前に接続され、又は負の制御電圧UGK1の場合、第
1のゲート端子G1に電流制限のための抵抗が設けられる。両方の抵抗が同時に
存在していてもよい。
最大5000V迄の作動電圧UA2K1に対して、また導通状態で流れる最大で10
00A、特に最大で500Aの電流に対して設計されている。主応用分野は、阻
止状態で生ずる最大で1200〜1700Vの範囲内の作動電圧UA2K1の際およ
び導通状態で定格電流として流れる10〜50Aの電流Iの際である。
200はハイブリッドな半導体構造に集積されている。
る、所謂DDMOS技術(“DD”はDouble Diffusion)を用いた垂直Si MOSFETであ
る。n形のシリコンウェーハ40内にp形のベース領域41が、またこのベース
領域41内に再びn形の領域42が拡散により形成されている。ゲート電極44
は、絶縁領域43により電気的にベース領域41から絶縁される。ゲート電極4
4を介して、ベース領域41内にソース領域42とシリコンウェーハ40との間
のn形の接続帯域を形成するnチャネル46が制御される。ゲート電極44にお
ける相応の制御電位なしではnチャネル46は存在していない。Si MOSFETは自
己阻止性である。さらにソース電極45がソース領域42およびベース領域41
を電気的に短絡する。以上の図面の呼び方ではゲート電極44は第1のゲート端
子G1を、またソース電極45は第1の陰極端子K1を表す。
20を持ち、シリコンカーバイドから成るn形の第1の半導体領域2から成って
いる。表面20に第1の半導体領域2の内側に多くの同じくn形の接触領域5お
よび多くのp形の第2半導体領域4が位置している。第2の半導体領域4は、そ
れぞれ第1半導体領域2の接触領域5の外側に位置する範囲内に、接触領域5お
よび第2の半導体領域4が重ならないように配置されている。
いる。第2の半導体領域4は互いに接続され、かつ共通の第2のゲート端子G2
を成す電極を介してオーム接触している。第2の陰極端子K2の電極層と、第2
のゲート端子G2の電極とは、絶縁層11により電気的に絶縁されている。
い濃度にドープされていてよい。より高い濃度のドーピングの際には第2の陰極
端子K2のより良いオーム接触が生ずる。
(SiO2)から成っている。熱的酸化物は優れた絶縁特性を有し、1000℃を
越える温度において乾式又は湿式酸化によりSiC上に形成される。
を有するpn接合がそれぞれ位置している。第2の半導体領域4は第1の半導体
領域2よりも高い濃度にドープされているので、空乏層24は第2の半導体領域
4内よりも第1の半導体領域2内で先迄延びている。第2の半導体領域4の間に
垂直なチャネル領域21が位置しており、その中を電流Iが導通状態で流れる。
垂直なチャネル領域21は第1の接触領域5内もそれに隣接している第1の半導
体領域2の範囲内も延びている。接触領域5を介して垂直なチャネル領域21は
第2の陰極端子K2と電気的に接続されている。導通状態で電流Iは垂直なチャ
ネル領域21を通って、またそれに続いて第1の半導体領域2を通って、第1の
半導体領域2の表面20と反対の側に配置されている第2の陽極端子A2へ流れ
る。これは同じく電極層として形成されている。
2と第2の半導体領域4との間に、それらが垂直なチャネル領域21を狭窄し、
また、図4中に破線により示すように、完全に覆う迄広がっている。従って電流
の流れは阻止状態では実際上もはや行われない。個々の空乏層24は単一の大き
い空乏層24に結び付いており、その内側では可動のキャリアが実際上完全に空
にされている。この大きい空乏層は次いで(阻止)電圧の大部分を担う。(阻止
)電圧の残りの部分は本質的に第1の半導体領域2ドリフト帯域内で受け入れら
れる。一方の大きい空乏層24の阻止能力はその際に幾何学的な寸法によっても
第1の半導体領域2、第2の半導体領域4および接触領域5のドーピングによっ
ても決定される。予め定められた寸法の際に第1の半導体領域2のドーピングは
少なくとも垂直なチャネル領域21の内側で、所望の(阻止)電圧が高い程低く
選ばれる。4Hポリ形式のシリコンカーバイドを使用した際に示されている第1
の半導体領域2のnドーピングに対する典型的な値はpn接合の空乏層24に生
ずる最大の(阻止)電圧Umax=600Vに対してn=1・1015cm-3、Umax =1200Vに対してn=8・1015cm-3、またUmax=1800Vに対して
n=5・1015cm-3である。
第1の半導体デバイス100の第1の陽極端子A1をも形成する。この電極層の
上に結合層14が、またその上にSi MOSFETの本来の構造を有するシリコンウェ
ーハ40が配置されている。結合層14は必ずしも不可欠ではなく、必要に応じ
て設けられる。それは、場合により生じる機械的な応力を減ずる役割をし、従っ
てまた好ましくは、例えば金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)又はアルミニウム(Al
)のような可延性の金属から成る。ボンディングのためには、特にろう付け技術
(チップオンチップろう付け)、ボンディングワイア結合技術又は直接的なウェ
ーハボンディングが使用される。このデバイスにおいて、シリコンおよびシリコ
ンカーバイド半導体材料から成る帯域がどの個所でも直接的に互いに接触しない
のが有利である。このことは、他の場合にはハイブリッドな半導体構造の内側の
望ましくない応力に通ずるであろう。
付する電極層および個別電極はポリシリコン又は金属、好ましくはニッケル(Ni
)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、タングステン(W)又はアルミニウム(Al
)、又は成分として上記の金属を有する金属化合物から成る。
て配置された多くの同一の半導体セルを有する。しかし、説明した原理は、単一
の説明した半導体セルを有する構成に対しても同様に応用可能である。
図5中に示すSiC JFETとして構成された第2の半導体デバイス200は、第1
の半導体領域2内に埋め込まれたp形の島状領域3を含む。
るエピタキシャル成長した同じくn形のSiCから成る半導体層26とから成って
いる。一般にそれは基板27よりも低いキャリア濃度を有する。
影が完全に埋め込まれた島状領域3の投影内に位置するように配置される。さら
に埋め込まれた島状領域3および第2の半導体領域4の投影は、それらの縁にお
いて重なる。この重なり範囲内の第1の半導体領域2内に、表面20に対して平
行に延びる横方向のチャネル領域22が位置している。この横方向のチャネル領
域22はその側縁において第1の半導体領域2と第2の半導体領域4との間のp
n接合の空乏層24により、また第1の半導体領域2と埋め込まれた島状領域3
との間の別のpn接合の空乏層23により境界付けられている。
れ、かつ第2のゲート端子G2を介して電気的に接触されている。電子的スイッ
チング装置300の導通時、電流Iは横方向チャネル領域22を通って流れる。
横方向のチャネル領域22の幾何学的寸法が大きいほど、第2の半導体デバイス
200の導通抵抗も低い。従って空乏層23および24の空間的な広がりを介し
て横方向のチャネル領域22の内側の抵抗が設定される。
気的接続が行われている場合、電流Iの増大時負のゲート陰極間電圧UGK2が増
大し、それによって空乏層23および24がさらに広がり、またこうして横方向
のチャネル領域22内の抵抗が高くなる。それに対して本発明により正のゲート
陰極間電圧UGK2を第2の半導体デバイス200に与えると、その結果として、
図6に示すように、空乏層23および24の後退が生ずる。それによって横方向
のチャネル領域22内の抵抗が減少する。この事実を明らかにするため、図6中
にはこれに関して重要な図5の図面部分のみを再度示している。第2のゲート端
子G2への制御電圧UGK1の一部分の結合により、まさに前記の有利な作用を有
する正のゲート陰極間電圧UGK2が得られる。
一方では第2の半導体領域4および埋め込まれた島状領域3と、他方では第1の
半導体領域2との間のpn接合における拡散電圧を超過しないよう設定される。
特にゲート陰極間電圧UGK2は拡散電圧の高々3分の2の値をとる。拡散電圧は
各半導体領域のドーピングに、また使用される半導体材料に関係する。シリコン
カーバイドでは、拡散電圧は3Vのオーダーにある。“汎用半導体”であるシリ
コンでは拡散電圧は0.7Vのオーダーにある。拡散電圧に対するこれらの値に
より直接的に、空乏層23および24の相応の減少が特にシリコンカーバイドの
際に生ずる。それに対しシリコンへの相応の措置は、材料に起因する低い拡散電
圧のために全く応用できず、又は少なくとも非常に低い効果しか生じない。
には電流Iが第2の半導体デバイス200の陽極陰極間電圧UAK2を横軸にとっ
て直線範囲内で記入されている。ゲート陰極間電圧UGK2はその際に出力特性曲
線のパラメータ値である。図7のダイアグラムからわかるように、2Vの正のゲ
ート陰極間電圧UGK2の際に、従来技術の実施例の際に生ずるゲート陰極間電圧
UGK2が負の値の際よりも顕著に急峻な特性曲線が生じている。特性曲線の急峻
度はまさに第2の半導体デバイス200の導通抵抗に相当するので、達成可能な
改善が図7の測定された特性曲線を手がかりにして直接的に読取られる。
Claims (19)
- 【請求項1】 a)第1の陰極端子(K1)、第1の陽極端子(A1)およ び第1のゲート端子(G1)を有する第1の半導体デバイス(100)と、 b)第2の陰極端子(K2)、第2の陽極端子(A2)および第2のゲート端子 (G2)を有する第2の半導体デバイス(200)とを少なくとも含み、 c)第1の陽極端子(A1)と第2の陰極端子(K2)を電気的に短絡した 電子的スイッチング装置において、 d)第1のゲート端子(G1)に与えられる制御電圧(UGK1)が部分的に第 2のゲート端子(G2)にも与えられており、 e)第2の半導体デバイス(200)のゲート陰極間電圧(UGK2)が、第2の 半導体デバイス(200)内で第2のゲート端子(G2)と第2の陰極端子 (K2)との間に位置しているpn接合の拡散電圧よりも常に小さくなるよ うに、第2のゲート端子(G2)に与えられる制御電圧(UGK1)の部分の 大きさが選ばれている ことを特徴とする電子的スイッチング装置。
- 【請求項2】 第2の半導体デバイス(200)のゲート陰極間電圧(UGK 2 )が、前記pn接合の拡散電圧の高々3分の2の値をとるように第2のゲート
端子(G2)に与えられる制御電圧(UGK1 )の部分の大きさが選ばれているこ
とを特徴とする請求項1記載の装置。 - 【請求項3】 第1のゲート端子(G1)が、第2のゲート端子(G2)と
結合抵抗(51)を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項1又
は2記載の装置。 - 【請求項4】 第1のゲート端子(G1)と第1の陰極端子(K1)との間
に第1の結合抵抗(51)および第2の結合抵抗(52)を有する分圧器(50
)が設けられており、その際に両方の結合抵抗(51、52)および第2のゲー
ト端子(G2)が電気的に互いに接続されていることを特徴とする請求項1ない
し3の1つに記載の装置。 - 【請求項5】 第1のダイオード(D1)が第1の結合抵抗(51)に対し
て並列に、また第2のダイオード(D2)が第2の結合抵抗(52)に対して並
列に接続されていることを特徴とする請求項4記載の装置。 - 【請求項6】 第1の結合抵抗(51)又は分圧器(50)が純粋にオーミ
ックであることを特徴とする請求項3ないし5の1つに記載の装置。 - 【請求項7】 第1の半導体デバイス(100)が半導体のシリコンから成
ることを特徴とする請求項1ないし6の1つに記載の装置。 - 【請求項8】 第1の半導体デバイス(100)が、特にn形のチャネルを
有する自己阻止性のMOS電界効果トランジスタとして構成されたことを特徴と
する請求項1ないし7の1つに記載の装置。 - 【請求項9】 第2の半導体デバイス(200)が半導体のシリコンから成
ることを特徴とする請求項1ないし8の1つに記載の装置。 - 【請求項10】 第2の半導体デバイス(200)が自己導通形の電界効果
トランジスタとして、特に阻止層電界効果トランジスタとして構成されているこ
とを特徴とする請求項1ないし9の1つに記載の装置。 - 【請求項11】 自己導通形の阻止層電界効果トランジスタ(200)が表
面(20)を持つn形の第1の半導体領域(2)を含み、第1の半導体領域(2
)の内側で表面(20)に位置する少なくとも1つのn形の接触領域(5)が第
2の陰極端子(K2)を介して、接触領域(5)の外側に位置する表面(20)
の少なくとも1つの範囲が第2のゲート端子(G2)を介して、また表面(20
)と反対側の側における第1の半導体領域(2)が第2の陽極端子(A2)を介
して電気的に接触していることを特徴とする請求項10記載の装置。 - 【請求項12】 自己導通形の阻止層電界効果トランジスタ(200)が少
なくとも1つのp形の第2の半導体領域(4)を含み、該半導体領域が表面(2
0)に第1の半導体領域(2)の内側に配置され、かつ第2のゲート端子(G2
)とオーミックに接触していることを特徴とする請求項11記載の装置。 - 【請求項13】 自己導通形の阻止層電界効果トランジスタ(200)が第
1の半導体領域(2)内に埋め込まれた少なくとも1つのp形の島状領域(3)
を含み、この島状領域が少なくとも1つの接触領域(5)の下側に、表面(20
)に対し垂直な突起内に接触領域(5)の突起が完全に埋められている島状領域
(3)の内側に位置するように配置されていることを特徴とする請求項11又は
12記載の装置。 - 【請求項14】 少なくとも1つの埋め込まれた島状領域(3)が、同じく
第2のゲート端子(G2)と電気的に接続されていることを特徴とする請求項1
3記載の装置。 - 【請求項15】 第1の陰極端子(K1)と第1のゲート端子(G1)との
間に与えられる制御電圧(UGK1)が、5〜30Vに設計されていることを特徴
とする請求項1ないし14の1つに記載の装置。 - 【請求項16】 阻止状態で第1および第2のゲート端子(G1、G2)が
実際上第1の陰極端子(K1)と等しい電位にあることを特徴とする請求項1な
いし15の1つに記載の装置。 - 【請求項17】 第1の陰極端子(K1)と第2の陰極端子(K2)との間
に5000V迄の阻止電圧が与えられることを特徴とする請求項1ないし16の
1つに記載の装置。 - 【請求項18】 第1の陰極端子(K1)と第2の陽極端子(A2)との間
を流れる定格電流が1000A迄、特に500A迄に設計されていることを特徴
とする請求項1ないし17の1つに記載の装置。 - 【請求項19】 第1の半導体デバイス(100)および第2の半導体デバ
イス(200)が、ハイブリッド半導体構造に集積されていることを特徴とする
請求項1ないし18の1つに記載の装置。
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