WO2014048504A1 - Halbleiterbauelement mit mindestens einer kontaktstruktur zum zuführen und/oder abführen von ladungsträgern - Google Patents

Halbleiterbauelement mit mindestens einer kontaktstruktur zum zuführen und/oder abführen von ladungsträgern Download PDF

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Definitions

  • Semiconductor device having at least one factor structure for supplying and / or removing charge carriers
  • the invention relates to a semiconductor component which has at least one first contact structure for supplying and / or removing charge carriers to the semiconductor component, according to the preamble of claim 1.
  • Semiconductor devices are used for a variety of applications, particularly in the form of a transistor or diode.
  • the invention relates to semiconductor devices which have at least one first contact structure for supplying and / or removing charge carriers to the semiconductor device.
  • the contact structure is typically formed as a metallic contact structure.
  • the metallic contact structure typically contacts one or more semiconductor layers, in particular one or more doped regions of the semiconductor layers.
  • the contact structure has at least one contact point. It is known to produce an electrically conductive connection via such a contact point, for example by means of bonding, via cell connectors, bristle tips or other contacting methods.
  • comb-like metallic contact structures are known. These have approximately the shape of a comb in that the contact structure, starting from a contact point, has a plurality of first-order branching points at which first-order branch points at least one metallic follower track (the "fingers" of the comb) branches off in power transistors or in photovoltaic solar cells known.
  • first-order branching points at which first-order branch points at least one metallic follower track (the "fingers" of the comb) branches off in power transistors or in photovoltaic solar cells known.
  • the present invention is therefore based on the object of providing a semiconductor component with an improved contact structure for supplying and / or removing charge carriers to the semiconductor component.
  • This object is achieved by a semiconductor device according to claim 1.
  • a semiconductor device according to claim 1 Preferably embodiments of the semiconductor device according to the invention can be found in the claims 2 to 15. Hereby, the wording of the claims is explicitly incorporated by reference in the description.
  • the semiconductor device has at least one first contact structure for supplying and / or removing charge carriers to the semiconductor component.
  • the first contact structure comprises at least one contact point for the electrically conductive connection of the first contact structure to an external terminal.
  • the contact point may in this case be designed in a special way, for example with a larger area and / or another material, in particular as a solder pad. Likewise, the contacting point can only be the location at which contacting takes place as mentioned above.
  • the contact structure has at least one branch point of first order, preferably a plurality of successive first-order branch points, at which first-order branch point at least one first order follower line branches off.
  • first-order branch point at least one first order follower line branches off.
  • at least one first-order follower path branches off at each of these branch points.
  • This basic structure corresponds, for example, to the previously known and previously described comb structure which is described in N. Ikeda, Y. Niiyama, H. Kambayashi, Y. Sato, T. mura, S, Kato, S. Yoshida, "GaN Power Transistor on Si Substrates for Switching Applications", Proc, Of the IEEE, Vol: 98, No: 7, pp: 151-161, Juii 2010 is.
  • each first-order follower track has at least one second-order branch point at which second-order branch point branches off at least one second-order follower track.
  • the first contact structure is designed such that the electrical continuity resistance of each second-order follower track is higher than the electrical continuity resistance of the first order follower track connected to this second-order follower track via a second-order common branch point.
  • the invention is based on the recognition that, surprisingly, two effects lead considerably to an improvement of the previously known contact structures:
  • the area efficiency can be considerably improved by providing at least first and second order branching points and following conductor tracks.
  • the embodiment leads such that the electrical continuity resistance of a higher order follower track is higher than the electrical line resistance of the next lower order associated with the common branch point to an approximately homogeneous electrical power loss at the first contact structure during operation.
  • the combination of the two aforementioned effects has a particularly positive effect:
  • a homogeneous power loss also causes a homogeneous surface heat dissipation, that is, a homogeneous power loss, so that loads on the semiconductor device are avoided or at least reduced by temperature differences and a more efficient temperature control and surface heat dissipation is possible.
  • the combination of area efficiency and homogeneous power dissipation increases the cost efficiency in fabricating the semiconductor device, as well as reliability and life.
  • the new contact structure of the semiconductor component according to the invention leads to an advantageous impedance matching. This reduces reflections on the structure, which improves the dynamic stability of the component.
  • the impedance adaptation improves the broadband, which offers advantages in particular for high-frequency applications.
  • the semiconductor device according to the invention thus overcomes the disadvantage that a higher complexity of a contact structure over the previously known comb structure reduces the cost efficiency. Rather, in the case of the semiconductor component according to the invention, several advantages result which, in particular in combination, produce surprising positive effects as described above.
  • electrical continuity resistance describes the line resistance of a line path in the main current direction
  • the line paths typically have a high length-to-width ratio, thus describing the electrical continuity resistance typically the line resistance in the direction of the longitudinal extent of the line path.
  • the change in the line resistance can be achieved in different ways: It is within the scope of the invention to change the line resistance by changing the cross-sectional area, in particular the cross-sectional area perpendicular to the main current direction of the line. It is particularly advantageous in this case to design the width of the conductor paths differently in order to achieve the respective desired passage resistance. Because this way, the conductor paths can have substantially the same height and differ only in width. This results in simpler and more cost-effective process conditions. However, it is also within the scope of the invention to choose the passage resistance by changing both the height and the width of the line.
  • the line resistance is selected by the choice of material.
  • the subsequent conduction paths of a particular order for example, all subsequent lines second Form order in a different material to the first-order follower tracks, the second-order follower material material having a higher resistivity compared to the resistivity of the material used for the first-order follower path.
  • the use of different materials for subsequent conduction paths of different orders has the advantage that the proceedingsneffiztenz is increased: For example, follow the first order of the semiconductor device according to the invention on a lower electrical continuity resistance than second-order tracks, When using the same material for the following tracks first and second Order must therefore be greater than the cross-sectional area, for example, the width of the following tracks of the first order, as the second-order tracks.
  • the first-order follower webs can be formed with a smaller cross-sectional area, for example smaller width, compared to the aforementioned example a higher area efficiency is achieved.
  • a particular advantage of the contact structure of the semiconductor component according to the invention lies in a substantially homogeneous electrical line resistance power loss.
  • the transmission resistances of the subsequent conduction paths are therefore chosen such that, during operation of the semiconductor device, the electrical resistivity power dissipation of each second order conduction path is less than 10%, preferably less than 5%, more preferably less than 1% of the electrical resistivity power dissipation with the second order derivative conduction path deviates a first-order common-rail second-order branch line.
  • the average electrical line resistance loss performance of all first- and second-order pathways, preferably all Conductor paths, the first contact structure by less than 10%, preferably less than 5%, more preferably less than 1% differ from each other.
  • the power loss in a line is proportional to the square of the electrical current flow.
  • the transmission resistances of the subsequent conduction path are selected such that, during operation of the semiconductor component, the current density of each subsequent conduction path is less than 10%, preferably less than 5%, more preferably less than 1% of the current density of the second order follower path via a common branch line. differs second order connected sequence track first order deviates.
  • the average electrical line resistance power dissipation of all the first and second order follower tracks, in particular of all follower tracks of the first contact structure differ by less than 10%, preferably less than 5%, more preferably less than 1%.
  • in operation designate operating states of the semiconductor component which are typical for the use of the semiconductor component with addition or removal of charge carriers via the first contact structure "or in solar cells of the illuminated state with delivery of electrical power.
  • the current intensity that is fed to a line path from an assigned semiconductor layer or is fed into this semiconductor layer by means of the line path is typically approximately proportional to an area of the semiconductor layer assigned to this line path.
  • each follower track is associated with an active subarea of the semiconductor device and the transmission resistance of each follower track is proportional to the square of the reciprocal of that follower track associated with the subarea.
  • branch points and follower tracks of higher order are formed analogously to the branch points and follower tracks in the second order as described above or analogously to preferred embodiments thereof.
  • each second-order follower track has at least one third-order branch point, at which third-order branch point at least one third-order follower track branches off.
  • the pass-through resistance of each third-order follower track is higher than the electrical continuity resistance of the second-order follower track connected to this third order follower track via a second-order common branch point.
  • the configuration of the contact structure is extended by branching points and fourth-order pathways by having, in analogue training, each third-order follower track having at least one branch point of corresponding fourth-order follower tracks. Investigations by the Applicant have shown that in particular the embodiments of the contacting structure with an order in the range of second order to fifth order as the highest order is advantageous.
  • a particularly high area efficiency is achieved if at least two, preferably exactly two, second-order follower tracks branch off at the branch points, at least as of the second order.
  • a particularly easy-to-implement, yet efficient structure is obtained by branching off the secondary conduction paths at right angles at the branch points, d, h. with the associated lower order follower track at the common branch point at right angles.
  • a particularly efficient structure is obtained by branching off the follower tracks at the branch points at an angle in the range of 30 ° to 60 °, ie. H. with the associated lower order track at the common branch point a wink! in the range of 30 ° to 60 °.
  • a particularly efficient embodiment of the first contact structure is obtained, in that the first contact structure is advantageously designed to be similar, at least in partial regions, preferably fully self-contained.
  • Such self-similar or fractal structures are characterized by the fact that basic patterns on a higher scale resemble themselves in similar fashion in the smaller structures on smaller scale ranges. The definition of such self-similar structures is described for example in B. B. Mandelbrot »" The Fractal Geometry of Na ture ", WH Feeman & Co., ISBN 0-7167-1 186-9., 1982
  • the first contact structure is thus preferably designed as a fractal structure of at least the third, more preferably at least the fourth order.
  • the semiconductor component according to the invention has a first contact structure in a novel embodiment according to the invention.
  • further contact structures of the semiconductor component according to the invention are formed in an analogous manner:
  • the semiconductor component has a second contact structure for supplying and / or removing charge carriers to the semiconductor component.
  • the second contact structure is preferably formed analogously to the first contact structure.
  • the second contact structure has Thus, as well as a contact point and subsequent conduction paths and branch points at least first and second order, as previously described to the first contact structure.
  • the second contact structure is preferably formed analogously to an advantageous embodiment of the first contact structure described above.
  • first and second contact structures are fractal
  • the new contact structure of the semiconductor component according to the invention leads to an advantageous impedance matching.
  • the first contact structure, in particular the electrical continuity resistances of the conductor paths, being formed such that the following impedance rule explained in relation to formula (1) is fulfilled:
  • the conductor tracks are preferably designed such that the following condition is met for sections of the conductor track.
  • a section is delimited by a first branch point facing the contact point and a second branch point facing away from the contact point, wherein first and second branch points are adjacent.
  • the impedance Z 0 of this section of a line path between the first and second branch point is selected such that the sum of the inverse of the impedances Z, the line paths connected in parallel at the second branch point is equal to the reciprocal of the impedance Z 0 , according to the following formula 1 :
  • n denotes the number of the line paths connected in parallel at the second branch point and, corresponding to Z, the impedance of the branching line path /.
  • Parallel-connected line paths are, for example, the higher-order branch lines branching off from the second branch point.
  • the contact structure of the semiconductor device according to the invention is particularly advantageous in the embodiment of the semiconductor device as a transistor, in particular as a lateral transistor, with substantially lateral current flows between the drain and the source.
  • the embodiment of the semiconductor component as a bipolar transistor or field effect transistor is advantageous.
  • Investigations by the Applicant have shown that the advantages mentioned in the introduction, in particular for the design of the semiconductor component, are advantageous as HFET (Heterojunction Field Effect Transistor) and in particular for GaN-based transistors.
  • the embodiment of such a transistor is, for example, in the already referenced N. Ikeda et al. , "GaN Power Transistor on Si Substrates for Switching Applications".
  • the first contact structure is formed as a drain contact or as a source contact of the transistor.
  • the first contact structure is formed as a drain contact and the second contact structure as a source contact of the transistor.
  • a further improvement of such a semiconductor device according to the invention designed as a transistor results from the fact that the gate contacting is likewise formed analogously to the first contact structure described above.
  • rounded meander shapes reduce electric field peaks, which can improve the breakdown behavior in the stopband.
  • the advantages of the semiconductor component according to the invention in particular when designing the semiconductor component, have the effect of a power transistor.
  • the semiconductor component is therefore preferably designed as a power transistor comprising a plurality of subtransistors.
  • each line path of the largest order of the first contact structure are assigned to partial transistors, preferably exactly one partial transistor is assigned.
  • the semiconductor component according to the invention is therefore preferably designed as a large-area transistor, photovoltaic solar cell, illumination surface or large-area sensor.
  • the conductor tracks are formed such that a step-like increase in the electrical continuity resistance occurs at each branch point.
  • Such a configuration is already known in the case of the comb structures described above and is typically referred to as a "taped" conducting pathway
  • Such a comb structure is described, for example, in R. Reiner, F. Benkhelifa, D. Krausse, R. Quay, and 0. Ambacher, "Simulation and Analysis of Low Resistance AIGaN / GaN RFET Power Switches, "in Proc.
  • the width of the line path decreases in steps at each branching point, so that the corresponding passage resistance increases due to the decreasing cross-sectional area.
  • an approximately homogeneous electrical power loss is realized along a line, since an increase in the current flow at a branch point due to this or branching at this branch point follower tracks by a corresponding change in the passage resistance at this branch point, in particular a corresponding broadening, is compensated.
  • the follower tracks are at least the second order, preferably the first and the second order, more preferably all follower tracks formed as described above with at each branch point stepwise changing passage resistance.
  • the first and / or the second contacting structure is preferably designed as a metallic contacting structure. Further, all contacting structures of the semiconductor component are designed as metallic contacting structures. It is likewise within the scope of the invention to form one or more of the contact structures, in particular the first contact structure, of one or more non-metallic, conductive materials, in particular of one or more conductive polymers, of one or more semiconductor layers, in particular doped semiconductor layers and / or one or more doped portions of one or more semiconductor layers. It is likewise within the scope of the invention to form one or more of the contacting structures from a combination of metallic and non-metallic materials. Further preferred features and advantageous embodiments are explained below with reference to exemplary embodiments with metallic contacting structures and the figures.
  • FIG. 1 a - 1 e show schematic partial representations of a first exemplary embodiment of a semiconductor component according to the invention, which is designed as a field-effect transistor;
  • Figure 2 is the fractal construction of the metallic contact structures of the embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic partial representation of a second exemplary embodiment of a semiconductor component according to the invention, which semiconductor component is designed as a transistor and has a metallic gate contact structure which is designed in the form of aligned meanders and
  • FIGS. 4a to 4c show schematic partial representations of following conductor tracks for explaining the impedance matching.
  • FIGS. 1 a to 1 e schematically show a first exemplary embodiment of a semiconductor component according to the invention in particles and partial cutouts.
  • the semiconductor device is designed as GaN-based heterojunction
  • HFET Field effect transistor
  • the transistor is formed with respect to the basic structure in a conventional manner. It is essential that the metallic contact structures source (Source), gate (gate) and drain (drain) are formed in a special way, as described nachfoigend.
  • FIGS. 1 a to 1 c show separately.
  • FIG. 1 d shows the contact structures in the intertwined, actual arrangement on the semiconductor component.
  • FIG. 1 e shows an enlarged detail of the area marked in FIG. 1 d.
  • FIG. 1a shows a source contact structure 1 with a contact point 1a for the electrically conductive connection of the source contact structure 1 to an external terminal, in particular by means of a bonding wire.
  • the source contact structure 1 has a plurality of successive first-order branching points, the first two branching points 1.1 a and 1.1 b being provided with reference numerals by way of example.
  • first order branches off in each case a metallic follower track of first order, wherein the example of the branch point of the first order 1.1 a at the branching follower track 1.1A and branching from the branch point of the first order 1.1 b follower track first order 1.1 B and the last sequence track of the first order 1 .1 D are denoted by reference numerals.
  • the source contact structure 1 corresponds to a comb structure known per se.
  • each first-order follower track has a plurality of second-order branch points.
  • second-order branch points 1.2a and 1.2b of the first-order follower track 1 .1 A are provided with reference numerals.
  • At each second-order branch point at least one second-order continuity path branches.
  • each branching point of second order (1 .2a, 1 .2b) of the outer first-order follower tracks (1.1A and 1 .1D) branches off exactly one second-order follower track.
  • first-order follower tracks such as the follower track 1.1 B
  • two second-order follower tracks branch off at each second-order branching line
  • the second-order follower tracks branching from a second-order branch point extending in mirror image on opposite sides of the associated first order follower track
  • each second-order follower track is higher than the electrical passage resistance of the first-order follower track connected to this second-order follower track via a second-order common branch point.
  • the width of the second-order follower track 1.2A is made smaller than the width of the first-order follower track 1 connected to this second-order follower track 1.2A via the second-order common branch point 1 .2a. 1A.
  • the actual width of the second-order follower track 1.2A is smaller than the width of the first-order follower track 1.1A.
  • the second order follower track 1 .2A thus has a small cross-sectional area and thus a higher passage resistance than the first order follower track 1 .1 A. This applies analogously to the ratio of all of the follower track paths of different order shown in FIGS. 1 and 2.
  • the gate contact structure 2 shown in FIG. 1b is analogous to the source contact structure 1, with a contact point 2a, branch points of the first order (for example 2.1a and 2.1b), follower tracks first order (for example, first-order follower tracks 2.1A, 2.1B, and 2.1D), with second-order branch points (illustratively second-order branch points 2.2a and 2.2b of the first-order follower track 2.1A) and second-order Fofl lines (by way of example, from the second branch point Order 2.2a branching second order track 2.2A and branching from the second-order branch point 2.2b subsequent track 2.2B).
  • branch points of the first order for example 2.1a and 2.1b
  • follower tracks first order for example, first-order follower tracks 2.1A, 2.1B, and 2.1D
  • second-order branch points illustratedratively second-order branch points 2.2a and 2.2b of the first-order follower track 2.1A
  • second-order Fofl lines by way of example, from the second branch
  • the drain contact structure 3 shown in FIG. 1c is also analogous to the source contact structure 1, with a contact point 3a, first-order branch points (exemplified 3.1 a and 3.1b), first order follower tracks (exemplified 3.1A and 3.1B ), Second-order branch points (exemplified second-order branch points 3.2a and 3.2b of the first-order continuation lane 3.1A), and second-order continuity lanes (exemplified a second-order lane follower 3.2A branching from the second-order branch point 3.2a and one from the branch point second-order 3.2b second-order secondary-conduction path 3.2B).
  • FIG. 1 d shows the actual arrangement of the contact structures 1, 2 and 3:
  • the source contact structure 1 and the drain contact structure 3 are arranged interlaced without any contact or overlapping of these contact structures.
  • the gate contact structure 2 is partially performed above or below one of the other contact structures, wherein at least in these areas each electrically insulating layers are arranged between the contact structures.
  • FIG. 1e the partial detail marked in FIG. 1d is shown enlarged, with an additionally marked first-order follower track 1 .1 D of the source contact structure 1 and first-order follower track 2.1 D of the gate contact structure 2.
  • the widths of the first and second order follower tracks of the contact structures 1, 2 and 3 are selected such that in the operating state of the transistor when the gate is switched, i. H. On-state, the resistive power dissipation power of the second-order follower tracks of a contact structure is approximately equal to the line resistance power dissipation of the first-order follower tracks of this contact structure.
  • the homogeneous current flow in particular disadvantages of current crowding effects, such as in R. Reiner, F. Benkhelifa, D. Krausse, R. Quay, and 0. Ambacher, "Simulation and Analysis of Low Resistance Al-GaN / GaN HFET Power Switches, "in Proc. ⁇ 1, paper 570, p. 1 -10. Sep. 201 1 described, avoided or at least reduced.
  • the embodiment of the contact structures 1 to 3 shown in FIG. 1 e additionally has the advantage that the impedances of the individual subregions are tuned. This results in an improved dynamic switching behavior, especially at high frequencies. Switching losses will be by minimizing and operating the transistor is possible at higher frequencies compared to prior art transistors with conventional contact structures. Measurement results on the dynamic behavior are described in the previously referenced R. Reiner, et al. , "Fractal Structures for Low Resistance Large Area AIGaN / GaN Power Transistors", supra, in particular in FIGS. 9 to 12 and the associated description in Section IV.
  • the impedance Z 0 of each section of a first-order follower track between a first and a second branch point is selected such that the sum of the inverses of the impedances Z, of the line paths connected in parallel at the second branch point is equal to the inverse of the impedance Z 0 .
  • a section is delimited by the first branch point facing the contact point 1 a and the second branch point facing away from the contact point.
  • First and second branch point are adjacent. For example, in the illustration according to FIG. 1 a, for the subsection of the first order sequence line 1 .1A bounded by the first branching point 1, 2 a and the second branching point 1 .2b, the sum of the reciprocal values of the impedances Z ?
  • Z 2 of the line paths connected in parallel at the second branch point 1 .2B is equal to the reciprocal of the impedance Z 0 of the above-described section.
  • the second-order follower track 1 .2B extends with the impedance Z ,.
  • the result of the conduction path of the first order 1 is continued at the branch point 1 .2b .1A, so that the relative F w in Figure 1 a marked portion of the sequence pathway first order 1 .1A with the result pathway second order 1 .2b of the branch point. 1 2b is connected in parallel and the sub-area F w an impedance Z 2 can be assigned.
  • the transmission values and configurations of these line paths are thus selected such that the reciprocal of the impedance Z 0 is the sum of the reciprocal of the impedance Z 1 of the second order follower track 1 .2B and of the sweeping frequency. is the value of the impedance Z2 of the F w marked area of the continuing sequence pathway first order 1 .1 A together with the branching sequence below pathways second order.
  • a step-like decrease in the width along a follower track is not shown in the schematic representations of FIGS. 1 to 3. Detailed reference is made to such a step-like decrease in FIGS. 4a to 4c and the associated description of the figures,
  • the transistor according to the first embodiment is formed as a power transistor comprising a plurality of subtransistors.
  • each line path of the largest order, in this case the second order, of the source contact structure 1 is assigned exactly one subtransistor.
  • the active area of such a partial transistor is indicated by way of example in FIG. 1 e by the curly brackets!
  • the intersection of the regions indicated by the curly brackets X1 and X2 represents the active area of a first partial transistor and, corresponding to the intersection of areas indicated by the curly brackets X1 and X2 ', the active area of a second one
  • second-order follower tracks of the contact structures 1 and 3 are each assigned to two mutually adjacent subtransistors.
  • the second-order follower track 3.2B is assigned both to the subtransistor X1 -X2 and to the subtransistor X1 -X2 'for adding or removing charge carriers.
  • the contacting structure shown in FIG. 1 D can be used for semiconductor diodes, in particular power diodes, light-emitting diodes or photovoltaic solar cells.
  • the first contact structure 1 typically contacts semiconductor regions of a first doping type and the second Metallic contact structure 3 semiconductor regions of a second, opposite to the first doping type doping type.
  • Doping types here are the n-doping and the p-doping opposite thereto.
  • a photovoltaic solar cell such a contacting structure is therefore in one embodiment in the case of the formation of the solar cell as a contact-making structure.
  • Advantageous solar cell in particular back contact solar cell.
  • the formation of a front-side metallization of the solar cell according to the contact structure 1 shown in FIG. 1 is advantageous, in particular in order to realize low series resistance losses with simultaneously low shadowing of the front side.
  • FIG. 2 schematically shows the theoretical construction of exemplary embodiments of semiconductor components according to the invention.
  • Figure 1 d has even similar structures, as comb-like interlocked areas of the contact structures 1 and 3 on a coarse scale through the sequence lines of first order (1.1A, 1 .1 B, 3.1A, 3.1 B) and on a smaller scale through the second order follower tracks (1, 2A, 1.2B, 3.2A, 3.2B).
  • the subsequent conductor tracks branch off at the branching points at right angles to the higher-order follower track paths, so that the self-similar structures are each rotated by 90 ° when the scale is changed.
  • the embodiment according to FIG. 1D can therefore be called a third-order fractal.
  • FIG. 2 In which, starting from a fractal of the first order with parallel pathways F.1 of a first contact structure, F.2 of a second contact structure and F.3 of a third contact structure, fractals of higher orders are represented by self-similar imaging second, third and fourth order, are formed.
  • the fractal third order corresponds to the embodiment described for Figure 1 D.
  • the fourth-order fractal represents another exemplary embodiment of a semiconductor element according to the invention, corresponding to a source contact structure F.1, a gate contact structure F.2 and a drain contact structure F.3.
  • contact structures F.1, F.2 and F.3 are formed analogously to the illustration according to FIG. 1.D, but additionally have third-order conduction paths.
  • a first order branch point F.1 .1 a to the source contact structure F.1 a contacting point F. 1 a, a first order branch point F.1 .1 a, a first order sequence line F.1.1A, a second order sequence line F.1.2A, and a third order sequence line F.1.3A.
  • the conductor tracks and in particular the follower tracks are formed with passage resistance decreasing stepwise at each branch point, in particular stepwise at each branch point decreasing width, as known per se from so-called "tapered fingers" in conventional comb-like contacting structures be kept in the operating state of the semiconductor device along a line of the line resistance loss and the heat dissipation in about constant.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a semiconductor component according to the invention.
  • This embodiment can basically be designed analogously to the first exemplary embodiment according to FIG. 1 d.
  • the gate contact structure is designed as a gate contact structure 2 'in the form of aligned meanders (for example, meanders 2'.1 and 2'.2).
  • meanders 2'.1 and 2'.2 aligned meanders
  • Shown in Figures 4a) to 4c) are schematic partial representations of follower tracks in three examples a, b and c to illustrate the stepwise width decrease along a follower track using the above-described condition for impedance matching.
  • FIGS. 4a) to 4c) each show a horizontally extending first-order follower track F1 which extends horizontally, wherein only a partial section is shown in FIGS. A) and b), ie the first-order follower track F1 is set to the right analogously.
  • the Folgetechnischsbahn F1 On the left side of the follower track F1 in Figures 4a) to 4c) is the Treasure Hartsbahn F1 with a contact point K - possibly via other intermediate sections of the follower track F1 - connected.
  • the sequence line path of the first order path F1 branches off at a branching point V1, in which a second-order following line F2 branches off. Furthermore, the sequence line F1 is continued after the branching point V1 (see marked portion FT).
  • Z ' L0 50Q
  • Z " L1 66.6Q
  • FIG. 4b shows an exemplary embodiment which differs from the starting example according to FIG. 4a) in that at the branching point V1 two second-order follower tracks F2.1 and F2.2 branch off.
  • the condition according to formula (1) for this embodiment thus results in formula 3: (formula (3).
  • FIG. 4c) shows a further exemplary embodiment, in which, starting from the starting example according to FIG. 4a), the first-order follower track F1 has further branching points V2 and V3 with respective second-order follower track paths F2.2 and F2.3.
  • a measure of the impedances Z of the associated sections of the follower tracks according to FIGS. 4a) to 4c) is the respective width of these sections.
  • the stepwise decreasing width of the first-order follower track F1 can be seen at each of the branch points V1, V2 and V3, which thus effects the impedance change.
  • the follower tracks may be formed in the illustration according to FIG. 1 in order to obtain the described advantageous impedance matching.
  • a step-like decrease in the width is not shown.

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Description

Halbleiterbauelement mit mindestens einer Konfaktstruktur zum Zuführen und/oder Abführen von Ladungsträgern
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, welches zumindest eine erste Kontaktstruktur zum Zuführen und/oder Abführen von Ladungsträgern zu dem Halbleiterbauelement aufweist, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Halbleiterbauelemente werden für vielfältige Anwendungen verwendet, insbesondere in der Ausführung als Transistor oder Diode. Die Erfindung betrifft solche Halbleiterbauelemente, welche zumindest eine erste Kontaktstruktur zum Zuführen und/oder Abführen von Ladungsträgern zu dem Haibleiterbauelement aufweisen. Die Kontaktstruktur ist typischerweise als metallische Kontaktstruktur ausgebildet.
Typischerweise kontaktiert die metallische Kontaktstruktur hierbei eine oder mehrere Halbleiterschichten, insbesondere einen oder mehrere dotierte Bereiche der Halbleiterschichten. Zum elektrischen Verbinden des Halbleiterbauelementes mit weiteren Bauelementen und/oder einem externen Stromkreis weist die Kontaktstruktur mindestens einen Kontaktierungspunkt auf. Es ist bekannt, über solch einen Kontaktierungspunkt beispielsweise mittels Bonden, über Zellverbinder, Brühspitzen oder anderer Kontaktierungsmethoden eine elektrisch leitende Verbindung herzustellen.
Um Ladungsträger flächig dem Halbleiterbauelement zuzuführen oder von diesem abzuführen, sind kammartige metallische Kontaktstrukturen bekannt. Diese weisen in etwa die Form eines Kamms auf, indem die Kontaktstruktur ausgehend von einem Kontaktierungspunkt eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Verzweigungspunkten erster Ordnung aufweist, an welchen Verzweigungspunkten erster Ordnung jeweils zumindest eine metallische Folgeleitungsbahn (die „Finger" des Kamms) abzweigt. Solche Strukturen sind beispielsweise bei Leistungstransistoren oder bei photovoltaischen Solarzellen bekannt. Aufgrund des steigenden Bedarfs an elektrischer Leistung, wachsenden Energiekosten und zunehmendem Umweltbewusstsein, besteht ein Bedarf an optimierten, kostengünstigen, hocheffizienten und zuverlässigen Halbleiterbauele- menten. Insbesondere bei Transistoren sind höhere Schaltfrequenzen und die Reduktion von Leistungsverlusten wünschenswert. Entsprechend wird beispielsweise bei photovoltaischen Solarzellen stets eine Wirkungsgradsteigerung angestrebt, Der vorliegenden Erfindung Hegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiter- bauetement mit einer verbesserten Kontaktstruktur zum Zuführen und/oder Abführen von Ladungsträgern zu dem Halbleiterbauelement bereitzustellen. Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1. Vorzugsweise Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes finden sich in den Ansprüchen 2 bis 15. Hiermit wird der Wortlaut der Ansprüche explizit per Referenz in die Beschreibung aufgenommen.
Das erfindungsgemäße Halbleiierbauelement weist zumindest eine erste Kontaktstruktur zum Zuführen und/oder Abführen von Ladungsträgern zu dem Halb- leiterbauelement auf. Die erste Kontaktstruktur umfasst mindestens einen Kon- taktierungspunkt zum elektrisch leitenden Verbinden der ersten Kontaktstruktur mit einem externen Anschluss. Der Kontaktierungspunkt kann hierbei in besonderer Weise, beispielsweise mit einer größeren Fläche und/oder einem anderen Material, insbesondere als Lötpad ausgebildet sein. Ebenso kann der Kontaktie- rungspunkt lediglich der Ort sein, an welchem eine Kontaktierung wie vorgenannt erfolgt.
Ausgehend von dem Kontaktierungspunkt weist die Kontaktstruktur mindestens einen Verzweigungspunkt erster Ordnung, bevorzugt eine Mehrzahl von aufei- nanderfolgenden Verzweigungspunkten erster Ordnung auf, an welchem Verzweigungspunkt erster Ordnung jeweils zumindest eine Folgeleitungsbahn erster Ordnung abzweigt. In der vorzugsweisen Ausführungsform mit einer Mehrzahl von Verzweigungspunkten erster Ordnung zweigt an jedem dieser Verzweigungspunkte mindestens eine Folgeleitungsbahn erster Ordnung ab. Diesem Grundaufbau entspricht beispielsweise die vorbekannte und zuvor beschriebene Kammstruktur, welche in N. Ikeda, Y. Niiyama, H. Kambayashi, Y. Sato, T. No- mura, S, Kato, S. Yoshida,„GaN Power Transistors on Si Substrates for Swit- ching Applications", in Proc, Of the IEEE, Vol: 98, No: 7, pp: 1 151 -1 161 , Juii 2010 beschrieben ist.
Wesentlich ist, dass bei der ersten Kontaktstruktur des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes jede Folgeleitungsbahn erster Ordnung mindestens einen Verzweigungspunkt zweiter Ordnung aufweist, an welchem Verzweigungspunkt zweiter Ordnung mindestens eine Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung abzweigt. Die erste Kontaktstruktur ist hierbei derart ausgebildet, dass der elektrische Durchleitungswiderstand jeder Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung höher ist, als der elektrische Durchleitungswiderstand, der mit dieser Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung über einen gemeinsamen Verzweigungspunkt zweiter Ordnung verbundenen Folgeleitungsbahn erster Ordnung.
Die Erfindung ist in der Erkenntnis begründet, dass überraschenderweise zwei Effekte erheblich zu einer Verbesserung der vorbekannten Kontaktstrukturen führen:
Zum einen kann die Flächeneffizienz durch das Vorsehen von Verzweigungspunkten und Folgeleitungsbahnen mindestens erster und zweiter Ordnung erheblich verbessert werden. Zum anderen führt die Ausgestaltung derart, dass der elektrische Durchleitungswiderstand einer Folgeleitungsbahn höherer Ordnung höher ist, als der elektrische Durch leitungswiderstand der über den gemeinsamen Verzweigungspunkt zugeordneten Leitungsbahn der nächst geringeren Ordnung zu einem in etwa homogenen elektrischen Leistungsabfall an der ersten Kontaktstruktur bei Betrieb. Überraschenderweise wirkt sich die Kombination der beiden vorgenannten Effekte besonders positiv aus:
Ein homogener Leistungsabfall bewirkt auch eine flächenhomogene Wärmedis- sipation, das heißt eine homogene Verlustleistung, so dass Belastungen des Halbleiterbauelementes durch Temperaturdifferenzen vermieden oder zumindest verringert werden und eine effizientere Temperaturregelung und flächige Wärmeabführung ermöglicht wird. Die Kombination von Flächeneffizienz und homogener Verlustleistung erhöht die Kosteneffizienz bei Herstellung des Halbleiterbauelementes, sowie die Zuverlässigkeit und Lebensdauer. Darüber hinaus führt die neue Kontaktstruktur des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes zu einer vorteilhaften Impedanzanpassung. Dadurch werden Reflexionen auf der Struktur reduziert, was die dynamische Stabilität des Bauteils verbessert. Darüber hinaus verbessert sich durch die Impedanzanpassung die Breitbandig- keit.was insbesondere bei Hochfrequenzanwendungen Vorteile bietet.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement überwindet somit den Nachteil, dass eine höhere Komplexität einer Kontaktstruktur über die vorbekannte Kammstruktur hinaus die Kosteneffizienz verringert. Vielmehr ergeben sich bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement mehrere Vorteile, die insbesondere in Kombination überraschende positive Effekte wie vorbeschrieben bewirken.
Die Bezeichnung„elektrischer Durchleitungswiderstand" beschreibt im Rahmen dieser Anmeldung den Durch leitungswiderstand einer Leitungsbahn in der Hauptstromrichtung. Typischerweise sind die Leitungsbahnen linienartig, insbesondere bevorzugt geradlinig ausgestaltet. Die Leitungsbahnen weisen somit typischerweise ein hohes Längen-zu-Breitenverhältnis auf. Der elektrische Durchleitungswiderstand beschreibt somit typischerweise den Leitungswiderstand in Richtung der Längserstreckung der Leitungsbahn.
Die Änderung des Leitungswiderstandes kann in unterschiedlicher Weise erzielt werden: So liegt es im Rahmen der Erfindung, durch eine Änderung der Querschnittsfläche, insbesondere der Querschnittsfläche senkrecht zur Hauptstromrichtung der Leitungsbahn den Leitungswiderstand zu ändern. Besonders vorteilhaft hierbei ist es, die Breite der Leitungsbahnen unterschiedlich auszubilden, um den jeweiligen gewünschten Durchleitungswiderstand zu erreichen. Denn hierdurch können die Leitungsbahnen im Wesentlichen eine gleiche Höhe aufweisen und sich nur in der Breite unterscheiden. Dadurch ergeben sich einfachere und kostengünstigere Prozessbedingungen. Ebenso liegt es jedoch auch im Rahmen der Erfindung, durch eine Änderung sowohl der Höhe als auch der Breite der Leitungsbahn den Durchleitungswiderstand entsprechend zu wählen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der Leitungswiderstand durch die Materialwahl vorgewählt. So ist es vorteilhaft, die Folgeleitungsbahnen einer bestimmten Ordnung, beispielsweise alle Folgeleitungsbahnen zweiter Ordnung in einem unterschiedlichen Material zu den Folgeleitungsbahnen erster Ordnung auszubilden, wobei das Material der Folgeleitungsbahnen zweiter Ordnung einen höheren spezifischen Widerstand aufweist, verglichen mit dem spezifischen Widerstand des für die Folgeleitungsbahn erster Ordnung verwendeten Materials. Die Verwendung unterschiedlicher Materialien für Folgeleitungsbahnen unterschiedlicher Ordnung weist denn Vorteil auf, dass die Flächeneffiztenz gesteigert wird: Z. B. weisen Folgebahnen erster Ordnung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements einen niedrigeren elektrischen Durchleitungswiderstand auf als Folgebahnen zweiter Ordnung, Bei Verwendung des gleichen Ma- terials für die Folgebahnen erster und zweiter Ordnung muss demnach die Querschnittsfläche, beispielsweise die Breite der Folgebahnen erster Ordnung größer sein, als die der Folgebahnen zweiter Ordnung. Wird hingegen für die Folgebahnen erster Ordnung ein Material mit geringerem spezifischen Widerstand verwendet, verglichen mit dem Material der Folgebahnen zweiter Ord- nung, so können die Folgebahnen erster Ordnung mit im Vergleich zu dem vorgenannten Beispiel kleinerer Querschnittsfläche, beispielsweise kleinerer Breite ausgebildet werden, so dass eine höhere Flächeneffizient erzielt wird.
Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, sowohl durch unterschiedliche Mate- rialien, als auch durch Ausbilden der Leitungsbahn mit unterschiedlichen Dimensionen, insbesondere unterschiedlichen Querschnittsflächen, die jeweils gewünschten Durchleitungswiderstände auszubilden.
Wie zuvor bereits beschrieben, liegt ein besonderer Vorteil der Kontaktstruktur des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes in einer im Wesentlichen homogenen elektrischen Leitungswiderstandsverlustleistung. Vorzugsweise sind die Durchleitungswiderstände der Folgeleitungsbahnen daher derart gewählt, dass bei Betrieb des Halbleiterbauelementes die elektrische Leitungswiderstandsverlustleistung jeder Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung um weniger als 10 %, bevorzugt weniger 5 %, weiter bevorzugt weniger als 1 % von der elektrischen Leitungswiderstandsverlustleistung der mit dieser Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung über einen gemeinsamen Verzweigungspunkt zweiter Ordnung verbundenen Folgeleitungsbahn erster Ordnung abweicht. I nsbesondere ist es vorteilhaft, dass die durchschnittliche elektrische Leitungswiderstandsverlust- leistungen aller Leitungsbahnen erster und zweiter Ordnung, vorzugsweise aller Leitungsbahnen, der ersten Kontaktstruktur um weniger als 10 %, bevorzugt weniger als 5 %, weiter bevorzugt weniger als 1 % voneinander abweichen.
Die Verlustleistung in einer Leitungsbahn ist proportional zum Quadrat des elektrischen Stromflusses. Vorzugsweise sind die Durchleitungswiderstände der Folgeleitungsbahn derart gewählt, dass bei Betrieb des Halbleiterbauelementes die Stromdichte jeder Folgeleitungsbahn um weniger als 10 %, bevorzugt weniger als 5 %, weiter bevorzugt weniger als 1 % von der Stromdichte der mit dieser Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung über einen gemeinsamen Verzwei- gungspunkt zweiter Ordnung verbundenen Folgeleitungsbahn erster Ordnung abweicht. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die durchschnittliche elektrische Leitungswiderstandsverlustleistungen aller Folgeleitungsbahn erster und zweiter Ordnung, insbesondere aller Folgeleitungsbahnen der ersten Kontaktstruktur um weniger als 10 %, bevorzugt weniger als 5 %, weiter bevorzugt weniger als 1 % voneinander abweichen. Hierdurch wird in einfacher Weise die zuvor beschriebene im Wesentlichen homogene elektrische Leitungswiderstandsverlustleistung erzielt.
Der Begriff„bei Betrieb" und analoge Begriffe bezeichnen im Rahmen dieser Anmeldung Betriebszustände des Halbleiterbauelementes, die für die Anwendung des Halbleiterbauelements mit Zu- oder Abführung von Ladungsträgern über die erste Kontaktstruktur typisch sind. Beispielsweise ist ein typischer Betriebszustand bei Transistoren der„On-Zustand" oder bei Solarzellen der beleuchtete Zustand mit Abgabe elektrischer Leistung.
Typischerweise ist bei Halbleiterbauelementen die Stromstärke, die einer Leitungsbahn aus einer zugeordneten Halbleiterschicht zufließt oder mittels der Leitungsbahn in diese Halbleiterschicht eingespeist wird, in etwa proportional zu einer dieser Leitungsbahn zugeordneten Fläche der Halbleiterschicht. Vorzugs- weise ist daher jeder Folgeleitungsbahn eine aktive Teilfläche des Halbleiterbauelementes zugeordnet und der Durchleitungswiderstand jeder Folgeleitungsbahn ist proportional zum Quadrat des Kehrwerts dieser Folgeleitungsbahn zugeordneten Teilfläche. Hierdurch wird in einfacher Weise die zuvor beschriebene in etwa homogene Stromdichte der Folgeleitungsbahnen erzielt. Die eingangs beschriebenen vorteilhaften Effekte des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements werden bereits bei Ausgestaltung der Kontaktstruktur mit den Folgeleitungsbahnen zweiter Ordnung, wie zuvor beschrieben, erzielt. Besonders vorteilhaft ist eine weitere analoge Fortsetzung solcher Verzweigungen, d. h. das Vorsehen entsprechend weiterer Verzweigungspunkte und Folgeleitungsbahnen höherer Ordnung. Die Verzweigungspunkte und Folgeleitungsbahnen höherer Ordnung sind hierbei analog zu den Verzweigungspunkten und Folgeleitungsbahnen in zweiter Ordnung wie zuvor beschrieben bzw. analog zu vorzugsweisen Ausführungsformen hiervon ausgebildet.
I n einer vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes weist daher jede Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung mindestens einen Verzweigungspunkt dritter Ordnung auf, an welchem Verzweigungspunkt dritter Ordnung mindestens eine Folgeleitungsbahn dritter Ordnung abzweigt. Analog zu der Ausgestaltung der Folgeleitungsbahnen niedrigerer Ordnung ist der Durchleitungswiderstand jeder Folgeleitungsbahn dritter Ordnung höher als der elektrische Durchleitungswiderstand der mit dieser Folgeleitungsbahn dritter Ordnung über einen gemeinsamen Verzweigungspunkt zweiter Ordnung verbundenen Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung . Weiter bevorzugt wird die Ausgestal- tung der Kontaktstruktur um Verzweigungspunkte und Leitungsbahnen vierter Ordnung erweitert, indem in analoger Fortbildung jede Folgeleitungsbahn dritter Ordnung mindestens ein Verzweigungspunkt entsprechend ausgebildeten Folgeleitungsbahnen vierter Ordnung aufweist. Untersuchungen des Anmelders haben ergeben, dass insbesondere die Ausgestaltungen der Kontaktierungsstruktur mit einer Ordnung im Bereich zweite Ordnung bis fünfte Ordnung als höchste Ordnung vorteilhaft ist.
Eine besonders hohe Flächeneffizienz wird erzielt, wenn an den Verzweigungs- punkten zumindest ab der zweiten Ordnung mindestens zwei, bevorzugt genau zwei Folgeleitungsbahnen zweiter Ordnung abzweigen. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die zwei Folgeleitungsbahnen in zueinander entgegengesetzter Richtung , insbesondere auf gegenüberliegenden Seiten der zugeordneten Folgeleitungsbahn niedriger Ordnung abzweigen, so dass eine Doppel- kammstruktur ausgebildet wird. Insbesondere ist es in analoger Fortbildung vorteilhaft, dass an jedem Verzweigungspunkt einer Ordnung n > 1 mindestens zwei, bevorzugt genau zwei Folgeleitungsbahnen n-ter Ordnung abzweigen. Hierdurch wird eine hohe Flächeneffizienz erzielt.
Eine besonders einfach realisierbare und dennoch effiziente Struktur ergibt sich, indem die Folgeleitungsbahnen an den Verzweigungspunkten im rechten Winkel abzweigen, d, h. mit der zugeordneten Folgeleitungsbahn niedrigerer Ordnung an dem gemeinsamen Verzweigungspunkt einen rechten Winkel einschließen.
Eine besonders effiziente Struktur ergibt sich, indem die Folgeleitungsbahnen an den Verzweigungspunkten in einem Winkel im Bereich 30° bis 60° abzweigen, d. h. mit der zugeordneten Folgeleitungsbahn niedrigerer Ordnung an dem gemeinsamen Verzweigungspunkt einen Winke! im Bereich 30° bis 60° einschließen.
Eine besonders effiziente Ausgestaltung der ersten Kontaktstruktur ergibt sich, indem vorteilhafterweise die erste Kontaktstruktur zumindest in Teilbereichen, vorzugsweise volfständig selbst ähnlich ausgebildet ist. Solche selbst ähnlichen oder fraktale Strukturen zeichnen sich dadurch aus, dass sich Grundmuster auf einer höheren Skala in selbst ähnlicher Weise in den kleineren Strukturen auf kleineren Skalenbereichen wiederfinden. Die Definition solcher selbst ähnlicher Strukturen ist beispielsweise in B, B. Mandelbrot»„The Fractal Geometry of Na- ture", W.H. Feeman & Co., ISBN 0-7167-1 186-9, 1982 beschrieben.
Die erste Kontaktstruktur ist somit vorzugsweise als fraktale Struktur zumindest dritter, weiter bevorzugt zumindest vierter Ordnung ausgebildet.
Wie zuvor beschrieben, weist das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement eine erste Kontaktstruktur in erfindungsgemäßer, neuartiger Ausgestaltung auf. Vorzugsweise sind weitere Kontaktstrukturen des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes, insbesondere bevorzugt alle Kontaktstrukturen des Halbleiterbauelementes in analoger Weise ausgebildet:
In einer vorzugsweisen Ausführungsform weist das Halbleiterbauelement eine zweite Kontaktstruktur zum Zuführen und/oder Abführen von Ladungsträgern zu dem Halbleiterbauelement auf. Die zweite Kontaktstruktur ist vorzugsweise analog zu der ersten Kontaktstruktur ausgebildet. Die zweite Kontaktstruktur weist somit ebenso einen Kontaktierungspunkt sowie Folgeleitungsbahnen und Verzweigungspunkte zumindest erster und zweiter Ordnung auf, wie zuvor zu der ersten Kontaktstruktur beschrieben. Insbesondere ist die zweite Kontaktstruktur vorzugsweise analog zu einer zuvor beschriebenen vorteilhaften Ausführungs- form der ersten Kontaktstruktur ausgebildet.
Für eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen ist es bekannt, zwei metallische Kontaktstrukturen jeweils in Form einer Kammstruktur vorzusehen, wobei die beiden Kammstrukturen ineinander verschränkt angeordnet sind. Solche interdi- gitalen Kammstrukturen können bevorzugt als Ausgangsstruktur zur Ausbildung einer vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes dienen, indem erste und zweite Kontaktstrukturen wie zuvor beschrieben ausgebildet und ineinander verschränkt angeordnet sind. Diese ineinander verschränkte Anordnung bewirkt eine besonders hohe Flächeneffizienz, ohne dass sich die erste Kontaktstruktur mit der zweiten Kontaktstruktur überschneidet, d. h. es müssen keine elektrischen Isolierungen in der Ebene oder parallel zu der Ebene der Halbleiterschichten zwischen erster und zweiter Kontaktstruktur vorgesehen werden. Vorzugsweise sind daher erste und zweite Kontaktstruktur als eine fraktale
Struktur zumindest dritter, bevorzugt zumindest vierter Ordnung ausgehend von einer interdigitalen Doppelkammstruktur als Kammstruktur zweiter Ordnung ausgebildet. Wie zuvor bereits beschrieben, führt die neue Kontaktstruktur des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes zu einer vorteilhaften Impedanzanpassung. Dieser Vorteil wird insbesondere erzielt, indem in einer vorteilhaften Ausführungsform die erste Kontaktstruktur, insbesondere die elektrischen Durchleitungswiderstände der Leitungsbahnen, derart ausgebildet wird, dass nachfol- gende zu Formel (1 ) erläuterte Impedanzregel erfüllt ist:
Die Leitungsbahnen werden bevorzugt derart ausgeführt, dass nachfolgende Bedingung für Teilstücke der Leitungsbahn erfüllt ist. Ein solches Teilstück ist durch einen ersten, dem Kontaktierungspunkt zugewandten Verzweigungspunkt und einen zweiten, dem Kontaktierungspunkt abgewandten Verzweigungspunkt begrenzt, wobei erster und zweiter Verzeigungspunkt benachbart sind. Vorteilhafterweise wird die Impedanz Z0 dieses Teilstücks einer Leitungsbahn zwischen erstem und zweitem Verzweigungspunkt derart gewählt, dass die Summe der Kehrwerte der Impedanzen Z, der an dem zweiten Verzweigungs- punkt parallel geschalteten Leitungsbahnen gleich dem Kehrwert der Impedanz Z0 ist, gemäß folgender Formel 1 :
Figure imgf000012_0001
Hierbei bezeichnet n die Anzahl der an dem zweiten Verzweigungspunkt parallel geschalteten Leitungsbahnen und entsprechend Z, die Impedanz der abzweigenden Leitungsbahn /. Parallel geschaltete Leitungsbahnen sind beispielsweise die von dem zweiten Verzweigungspunkt abzweigenden Leitungsbahnen höherer Ordnung. Ebenso ist im Falle einer an dem zweiten Verzweigungspunkt weitergeführten Leitungsbahn dieser weitergeführte Bereich als parallel geschaltete Leitungsbahn anzusehen. Wird beispielsweise bei einer Folgeleitungsbahn erster Ordnung an dem zweiten Verzweigungspunkt (welcher ein Verzweigungspunkt zweiter Ordnung ist) die Folgeieitung erster Ordnung weitergeführt und zweigen an diesem Verzweigungspunkt zwei Folgeleitungsbahnen zweiter Ordnung ab, so liegen drei parallel geschaltete Leitungsbahnen vor, d.h. n = 3. Wird hingegen die Folgelei- tungsbahn erster Ordnung an dem zweiten Verzweigungspunkt nicht fortgeführt, so liegen entsprechend zwei parallel geschaltete Leitungsbahnen vor, d. h.
n = 2.
Die Kontaktstruktur des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes ist insbe- sondere vorteilhaft bei Ausgestaltung des Halbleiterbauelementes als Transistor, insbesondere als lateraler Transistor, mit im Wesentlichen lateralen Stromflüssen zwischen Drain (Abfluss) und Source (Quelle). Insbesondere ist die Ausgestaltung des Halbleiterbauelementes als bipolarer Transistor oder Feldeffekttransistor vorteilhaft. Untersuchungen des Anmelders haben ergeben , dass die eingangs erwähnten Vorteile insbesondere für die Ausgestaltung des Halbleiterbauelementes als HFET (Hetero Junction Field Effect Transistor) und hierbei insbesondere bei GaN-basierten Transistoren vorteilhaft ist. Die Ausgestaltung eines solchen Transistors ist beispielsweise in der bereits referenzierten N . Ikeda et al. ,„GaN Power Transistors on Si Substrates for Switching Applications", beschrieben.
Vorzugsweise ist daher die erste Kontaktstruktur als eine Drain-Kontaktierung oder als eine Source-Kontaktierung des Transistors ausgebildet. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die erste Kontaktstruktur als eine Drain-Kontaktierung und die zweite Kontaktstruktur als eine Source-Kontaktierung des Transistors ausgebildet ist.
Eine weitere Verbesserung eines solchen als Transistor ausgebildeten erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes ergibt sich, indem auch die Gate- Kontaktierung analog zu der zuvor beschriebenen ersten Kontaktstruktur ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich ist es vorteilhaft, die Gate-Kontaktierung zumindest bereichsweise in Form aneinandergereihter Mäander auszubilden. Dadurch kommt es zu weniger Kreuzungspunkten von Gate und Source Metallisierung. Darüber hinaus, abgerundete Mäanderformen reduzieren elektrische Feldspitzen, dadurch lässt sich das Durchbruchsverhalten im Sperrbereich verbessern.
Wie bereits beschrieben, wirken sich die Vorteile des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes insbesondere bei Ausgestaltung des Halbleiterbauelements als Leistungstransistor aus. Vorzugsweise ist das Halbleiterbauelement daher als Leistungstransistor umfassend eine Mehrzahl von Teiltransistoren ausgebildet. I nsbesondere ist es vorteilhaft, dass jeder Leitungsbahn der größten Ordnung der ersten Kontaktstruktur Teiltransistoren zugeordnet sind, bevorzugt genau ein Teiltransistor zugeordnet ist.
Die vorgenannten Vorteile wirken sich insbesondere positiv bei großflächigen Halbleiterbauelementen aus. Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement daher als großflächiger Transistor, photovoltaische Solarzelle, Beleuchtungsfläche oder großflächiger Sensor ausgebildet. Vorzugsweise werden die Leitungsbahnen derart ausgebildet, dass eine stufenartige Erhöhung des elektrischen Durchleitungswiderstandes an jedem Verzweigungspunkt erfolgt. Eine derartige Ausgestaltung ist bereits bei den zuvor beschriebenen Kammstrukturen bekannt und wird typischerweise als„getaperte" Leitungsbahn bezeichnet. Eine solche Kammstruktur ist beispielsweise in R. Reiner, F. Benkhelifa, D. Krausse, R. Quay, and 0. Ambacher, "Simulation and Analysis of Low Resistance AIGaN/GaN HFET Power Switches," in Proc.
ΕΡΕΊ 1 , paper 570, p, 1 -10. Sep, 201 1 beschrieben. In einer besonders einfachen, vorteilhaften Ausführungsform nimmt die Breite der Leitungsbahn stufen- artig an jedem Verzweigungspunkt ab, so dass sich entsprechende der Durchleitungswiderstand aufgrund der abnehmenden Querschnittsfläche erhöht. Hierdurch wird entlang einer Leitungsbahn eine in etwa homogene elektrische Verlustleistung realisiert, da eine Erhöhung des Stromflusses an einem Verzweigungspunkt aufgrund dies oder der an diesem Verzweigungspunkt abzweigen- den Folgeleitungsbahnen durch eine entsprechende Änderung des Durchleitungswiderstandes an diesem Verzweigungspunkt, insbesondere eine entsprechende Verbreiterung, kompensiert wird.
Vorzugsweise sind die Folgeleitungsbahnen zumindest der zweiten Ordnung, bevorzugt der ersten und der zweiten Ordnung, weiter bevorzugt alle Folgeleitungsbahnen wie zuvor beschrieben mit an jedem Verzweigungspunkt sich stufenartig ändernden Durchleitungswiderstand ausgebildet.
Vorzugsweise ist die erste und/oder die zweite Kontaktierungsstruktur als metal- lische Kontaktierungsstruktur ausgebildet. Weiter bevorzugt sind alle Kontaktie- rungsstrukturen des Halbleiterbauelementes als metallische Kontaktierungs- strukturen ausgebildet. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, eine oder mehrere der Kontaktstrukturen, insbesondere die erste Kontaktstruktur, aus einem oder mehreren nichtmetallischen, leitfähigen Materialien auszubilden, ins- besondere aus einem oder mehreren leitfähigen Polymeren, aus einer oder mehreren Halbleiterschichten, insbesondere dotierten Halbleiterschichten und/oder einem oder mehreren dotierten Teilbereichen einer oder mehrerer Halbleiterschichten. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, eine oder mehrere der Kontaktierungsstrukturen aus einer Kombination aus metallischen und nichtmetallischen Materialien auszubilden. Weitere vorzugsweise Merkmale und vorteilhafte Ausführungsformen werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit metallischen Kontaktierungs- strukturen und den Figuren erläutert. Dabei zeigt: Figuren 1 a - 1 e schematische Teildarstellungen eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes, welches als Feldeffekttransistor ausgebildet ist;
Figur 2 die fraktale Konstruktion der metallischen Kontaktstrukturen des Ausführungsbeispiels;
Figur 3 eine schematische Teildarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, welches Halbleiterbauelement als Transistor ausgebildet ist und eine metallische Gate-Kontaktstruktur aufweist, welche in Form aneinandergereihter Mäander aus- gebildet ist und
Figuren 4a bis 4c schematische Teildarstellungen von Folgeleitungsbahnen zur Erläuterung der Impedanzanpassung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente. Zur besseren Darstellbarkeit sind die Figuren schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt.
In den Figuren 1 a bis 1 e ist schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes in Teilchen und Teilausschnitten dargestellt. Das Halbleiterbauelement ist als GaN-basierter Heterojunction-
Feldeffekttransistor (HFET) ausgebildet. Die Ausbildung und Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels ist in R. Reiner, P. Waltereit, F. Benkhelifa, S. Müller, H. Walcher, S. Wagner, R. Quay, M. Schlechtweg, O. Ambacher,„Fractal Structures for Low Resistance Large Area AlGaN/GaN Power Transis- tors", Proceedings of the 201 2 24th International Symposium on Power Semi- conductor Devices and ICs, 3-7 June 2012 - Bruges, Belgium , beschrieben. Auf diese Referenz wird vollumfänglich Bezug genommen,
Der Transistor ist hinsichtlich des Grundaufbaus in an sich bekannter Weise ausgebildet. Wesentlich ist, dass die metallischen Kontaktstrukturen Source (Quelle), Gate (Gatter) und Drain (Abfluss) in besonderer weise ausgebildet sind, wie nachfoigend beschrieben.
Zur besseren Darstellbarkeit sind die einzelnen Kontaktstrukturen in den Figuren 1 a bis 1 c separat dargestellt. Figur 1 d zeigt die Kontaktstrukturen in der ineinander verschränkten, tatsächlichen Anordnung, auf dem Halbleiterbauelement. Figur 1 e zeigt eine Ausschnittsvergrößerung des in Figur 1 d gekennzeichneten Bereichs.
Figur 1 a zeigt eine Source-Kontaktstruktur 1 mit einem Kontaktierungspunkt 1 a zum elektrisch leitenden Verbinden der Source-Kontaktstruktur 1 mit einem externen Anschluss, insbesondere mittels eines Bonddrahtes.
Ausgehend von dem Kontaktierungspunkt 1 a weist die Source-Kontaktstruktur 1 eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Verzweigungspunkten erster Ordnung auf, wobei beispielhaft die ersten beiden Verzweigungspunkte 1.1 a und 1.1 b mit Bezugszeichen versehen sind.
An den Verzweigungspunkten erster Ordnung (1.1 a, 1.1 b) zweigt jeweils eine metallische Folgeleitungsbahn erster Ordnung ab, wobei beispielhaft die von dem Verzweigungspunkt erster Ordnung 1.1 a bei dem abzweigende Folgeleitungsbahn 1.1A und die von dem Verzweigungspunkt erster Ordnung 1.1 b abzweigende Folgeleitungsbahn erster Ordnung 1.1 B und die letzte Folgeleitungsbahn erster Ordnung 1 .1 D mit Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
Hinsichtlich dieser Grundstruktur entspricht die Source-Kontaktstruktur 1 einer an sich bekannten Kammstruktur.
Wesentlich ist, dass jede Folgeleitungsbahn erster Ordnung eine Mehrzahl von Verzweigungspunkten zweiter Ordnung aufweist. Beispielhaft sind Verzweigungspunkte zweiter Ordnung 1.2a und 1.2b der Folgeleitungsbahn erster Ordnung 1 .1 A mit Bezugszeichen versehen. An jedem Verzweigungspunkt zweiter Ordnung zweigt mindestens eine Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung ab. Beispielhaft ist eine von dem Verzweigungspunkt zweiter Ordnung 1 .2a abzweigende Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung 1 ,2A und eine von dem Verzweigungs- punkt zweiter Ordnung 1.2b abzweigende Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung 1.2B mit Bezugszeichen gekennzeichnet.
Wie weiterhin aus Figur 1 a ersichtlich, zweigt von jedem Verzweigungspunkt zweiter Ordnung (1 .2a, 1 .2b) der außenliegenden Folgeleitungsbahnen erster Ordnung (1.1A und 1 .1 D) jeweils genau eine Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung ab.
Von den innenliegenden Folgeleitungsbahnen erster Ordnung, wie beispielswei- se der Folgeleitungsbahn 1.1 B zweigen an jedem Verzweigungspunkt zweiter Ordnung jeweils zwei Folgeleitungsbahnen zweiter Ordnung ab, wobei die von einem Verzweigungspunkt zweiter Ordnung abzweigende Folgeleitungsbahnen zweiter Ordnung sich spiegelbildlich auf gegenüberliegenden Seiten der zugehörigen Folgeleitungsbahn erster Ordnung erstrecken.
In der Darstellung gemäß Figur 1 a lediglich schematisch dargestellt ist, dass der elektrische Durchleitungswiderstand jeder Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung höher ist als der elektrische Durchleitungswiderstand der mit dieser Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung über einen gemeinsamen Verzweigungspunkt zwei- ter Ordnung verbundenen Folgeleitungsbahn erster Ordnung. Beispielsweise ist die Breite der Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung 1.2A kleiner dargestellt gegenüber der Breite der mit dieser Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung 1.2A über den gemeinsamen Verzweigungspunkt zweiter Ordnung 1 .2a verbundenen Folgeleitungsbahn erster Ordnung 1 . 1A. Hierdurch wird schematisch dargestellt, dass auch die tatsächliche Breite der Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung 1.2A kleiner ist als die Breite der Folgeleitungsbahn erster Ordnung 1.1A. Da die Folgeleitungsbahnen erster und zweiter Ordnung in etwa die gleiche Höhe aufweisen, weist die Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung 1 .2A somit eine geringe Querschnittsfläche und somit einen höheren Durchleitungswiderstand gegen- über der Folgeleitungsbahn erster Ordnung 1 .1 A auf. Dies gilt analog für das Verhältnis sämtlicher in den Figuren 1 und 2 dargestellten Folgeleitungsbahnen unterschiedlicher Ordnung zueinander.
Die in Figur 1 b dargestellte Gate-Kontaktstruktur 2 ist analog zu der Source- Kontaktstruktur 1 ausgebildet, mit einem Kontaktierungspunkt 2a, Verzweigungspunkten erster Ordnung (beispielhaft 2.1 a und 2.1 b), Folgeleitungsbahnen erster Ordnung (beispielhaft Folgeleitungsbahnen erster Ordnung 2.1A, 2.1 B und 2.1 D), mit Verzweigungspunkten zweiter Ordnung (beispielhaft Verzweigungspunkte zweiter Ordnung 2,2a und 2.2b der Folgeleitungsbahn erster Ordnung 2.1A) und Fofgeleitungsbahnen zweiter Ordnung (beispielhaft die von dem Verzweigungspunkt zweiter Ordnung 2.2a abzweigende Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung 2.2A und von dem Verzweigungspunkt zweiter Ordnung 2.2b abzweigende Folgeleitungsbahn 2.2B).
Im Unterschied zu der Source-Kontaktstruktur 1 zweigt bei der Gate- Kontaktstruktur 2 von jedem Verzweigungspunkt zweiter Ordnung (2.2a, 2.2b) genau eine Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung (2.2A, 2.2B) ab.
Die in Figur 1 c dargestellte Drain-Kontaktstruktur 3 ist ebenfalls analog zu der Source-Kontaktstruktur 1 ausgebildet, mit einem Kontaktierungspunkt 3a, Verzweigungspunkten erster Ordnung (beispielhaft gekennzeichnet 3.1 a und 3.1 b), Folgeleitungsbahnen erster Ordnung (beispielhaft gekennzeichnet 3.1A und 3.1 B), Verzweigungspunkten zweiter Ordnung (beispielhaft Verzweigungspunkte zweiter Ordnung 3.2a und 3.2b der Folgeleitungsbahn erster Ordnung 3.1 A), und Folgeleitungsbahnen zweiter Ordnung (beispielhaft einen von dem Verzwei- gungspunkt zweiter Ordnung 3.2a abzweigende Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung 3.2A und einen von dem Verzweigungspunkt zweiter Ordnung 3.2b abzweigende Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung 3.2B).
Bei der Drain-Kontaktstruktur 3 zweigen von jedem Verzweigungspunkt zweiter Ordnung (3.2a, 3.2b) genau zwei Folgeieitungsbahnen zweiter Ordnung (3.2A und 3.2A' von Verzweigungspunkt 3.2a; 3.2B und 3.2B' von Verzweigungspunkt 3.2b) ab, wobei sich die Folgeleitungsbahnen auf gegenüberliegenden Seiten des Verzweigungspunkt zweiter Ordnung der zugeordneten Folgeleitungsbahn erster Ordnung spiegelbildlich zueinander erstrecken.
In Figur 1 d ist die tatsächliche Anordnung der Kontaktstrukturen 1 , 2 und 3 dargestellt: Die Source-Kontaktstruktur 1 und Drain-Kontaktstruktur 3 sind ineinander verschränkt angeordnet, ohne dass eine Berührung oder Überschneidung dieser Kontaktstrukturen vorliegt. Die Gate-Kontaktstruktur 2 ist teilweise über oder unter einer der anderen Kontaktstrukturen durchgeführt, wobei zumindest in diesen Bereichen jeweils elektrisch isolierende Schichten zwischen den Kontaktstrukturen angeordnet sind.
In Figur 1 e ist der in Figur 1 d gekennzeichnete Teilausschnitt vergrößert dargestellt, mit einer zusätzlich gekennzeichneten Folgeleitungsbahn erster Ordnung 1 .1 D der Source-Kontaktstruktur 1 und Folgeleitungsbahn erster Ordnung 2.1 D der Gate-Kontaktstruktur 2.
Die Breiten der Folgeleitungsbahnen erster und zweiter Ordnung der Kontaktstrukturen 1 , 2 und 3 sind derart gewählt, dass im Betriebszustand des Transistors bei geschaltetem Gate, d. h. On-Zustand, die Leitungswiderstandsverlustleistung der Folgeleitungsbahnen zweiter Ordnung einer Kontaktstruktur in etwa gleich sind zu der Leitungswiderstandsverlustleistung der Folgeleitungsbahnen erster Ordnung dieser Kontaktstruktur.
Hierdurch ergibt sich bei Betrieb ein homogener Stromfluss und in etwa eine homogene Wärmedissipation.
Durch den homogenen Stromfluss werden insbesondere Nachteile von Current- Crowding-Effekten, wie beispielsweise in R. Reiner, F. Benkhelifa, D. Krausse, R. Quay, and 0. Ambacher,„Simulation and Analysis of Low Resistance Al- GaN/GaN HFET Power Switches," in Proc. ΕΡΕΊ 1 , paper 570, p. 1 -10. Sep. 201 1 beschrieben, vermieden oder zumindest verringert.
Messergebnisse zu dem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes sind in der zuvor referenzierten R. Reiner, et al. , „Fractal Structures for Low Resistance Large Area AIGaN/GaN Power Transistors", a.a.O. , insbesondere in Abschnitt IV und den Figuren 7 und 8 beschrieben.
Die in Figur 1 e dargestellte Ausführung der Kontaktstrukturen 1 bis 3 weist jedoch zusätzlich den Vorteil auf, dass die Impedanzen der einzelnen Teilbereiche abgestimmt sind. Hierdurch ergibt sich ein verbessertes dynamisches Schaltverhalten, insbesondere bei hohen Frequenzen. Schaltverluste werden hier- durch minimiert und ein Betrieb des Transistors ist bei höheren Frequenzen verglichen mit vorbekannten Transistoren mit herkömmlichen Kontaktstrukturen möglich. Messergebnisse zu dem dynamischen Verhalten sind in der zuvor refe- renzierten R. Reiner, et al. ,„Fractal Structures for Low Resistance Large Area AIGaN/GaN Power Transistors", a.a.O. , insbesondere in den Figuren 9 bis 1 2 und der zugehörigen Beschreibung in Abschnitt IV erläutert.
Das zuvor beschriebene verbesserte Impedanzverhalten wird dadurch erzielt, dass für die Folgeleitungsbahnen erster Ordnung folgendes gilt:
Die Impedanz Z0 jedes Teilstücks einer Folgeleitungsbahn erster Ordnung zwischen einem ersten und einem zweiten Verzweigungspunkt ist derart gewählt, dass die Summe der Kehrwerte der Impedanzen Z, der an dem zweiten Verzweigungspunkt parallel geschalteten Leitungsbahnen gleich dem Kehrwert der Impedanz Z0 ist. Ein Teilstück ist hierbei durch den ersten, dem Kontaktierungs- punkt 1 a zugewandten Verzweigungspunkt und den zweiten, dem Kontaktie- rungspunkt abgewandten Verzweigungspunkt begrenzt. Erster und zweiter Verzweigungspunkt sind benachbart. Beispielsweise gilt in der Darstellung gemäß Figur 1 a für das durch den ersten Verzweigungspunkt 1 ,2a und den zweiten Verzweigungspunkt 1 .2b begrenzte Teilstück der Folgeleitungsbahn erster Ordnung 1 .1A, dass die Summe der Kehrwerte der Impedanzen Z? und Z2 der an dem zweiten Verzweigungspunkt 1 .2B parallel geschalteten Leitungsbahnen gleich dem Kehrwert der Impedanz Z0 des zuvor beschriebenen Teilstücks ist. Ausgehend von dem Verzweigungspunkt 1 .2b erstreckt sich einerseits die Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung 1 .2B mit der Impedanz Z,. Ebenso ist jedoch die Folgeleitungsbahn erster Ordnung 1 .1A an dem Verzweigungspunkt 1 .2b fortgeführt, so dass der mit Fw in Figur 1 a gekennzeichnete Teilbereich der Folgeleitungsbahn erster Ordnung 1 .1A mit der Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung 1 .2B bezüglich des Verzweigungspunktes 1 .2b parallel geschaltet ist und dem Teilbereich Fw eine I mpedanz Z2 zugeordnet werden kann.
Die Durchleitungswerte und Ausgestaltungen dieser Leitungsbahnen sind somit derart gewählt, dass der Kehrwert der Impedanz Z0 der Summe des Kehrwertes der Impedanz Z1 der Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung 1 .2B und des Kehr- wertes der Impedanz Z2 des mit Fw gekennzeichneten Bereiches der weiter geführten Folgeleitungsbahn erster Ordnung 1 .1 A zusammen mit den nachfolgend abzweigenden Folgeleitungsbahnen zweiter Ordnung ist. Aus Gründen der besseren Darstellbarkeit ist eine stufenartige Abnahme der Breite entlang einer Folgeleitungsbahn in den schematischen Darstellungen der Figuren 1 bis 3 nicht gezeigt. Detailliert wird auf solch eine stufenartige Abnahme in den Figuren 4a bis 4c und der zugehörigen Figurenbeschreibung eingegangen,
Der Transistor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist als Leistungstransistor umfassend eine Mehrzahl von Teiltransistoren ausgebildet. Hierbei ist jeder Leitungsbahn der größten Ordnung, vorliegend der zweiten Ordnung, der Source-Kontaktstruktur 1 genau ein Teiltransistor zugeordnet. Die aktive Fläche solch eines Teiltransistors ist beispielhaft in Figur 1 e durch die geschweiften Klammern angedeutet! Die Schnittmenge der durch die geschweiften Klammern X1 und X2 angedeuteten Bereiche stellt die aktive Fläche eines ersten Teiltransistors dar und entsprechend die Schnittmenge durch die geschweiften Klammern X1 und X2' angedeuteten Flächen die aktive Fläche eines zweiten
Teiltransistors. Hierbei sind Folgeleitungsbahnen zweiter Ordnung der Kontaktstrukturen 1 und 3 jeweils zwei aneinander grenzenden Teiltransistoren zugeordnet. Beispielsweise ist die Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung 3.2B sowohl dem Teiltransistor X1 -X2, als auch dem Teiltransistor X 1 -X2' zum Zu- oder Abführen von Ladungsträgern zugeordnet.
Die in Figur 1 D dargestellte Kontaktierungsstruktur kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel bei Weglassen der Gate-Kontaktstruktur 2 Anwendung bei Halbleiterdioden, insbesondere Leistungsdioden, Leuchtdioden oder photovolta- ischen Solarzellen finden: Hierbei kontaktiert die erste Kontaktstruktur 1 typi- scherweise Halbleiterbereiche eines ersten Dotierungstyps und die zweite metallische Kontaktstruktur 3 Halbleiterbereiche eines zweiten, zu dem ersten Dotierungstyp entgegengesetzten Dotierungstyp. Dotierungstypen sind hierbei die n-Dotierung und die hierzu entgegengesetzte p-Dotierung. I n einem Ausführungsbeispiel einer photovoltaischen Solarzelle ist eine solche Kontaktierungsstruktur somit bei Ausbildung der Solarzelle als einseitig kontak- tierte Solarzelle, insbesondere Rückseitenkontaktsolarzelie vorteilhaft. In einem weiteren Ausführungsbeispiel einer in typischer Ausgestaltung beidseitig kontaktierten Solarzelle, ist die Ausbildung einer Vorderseitenmetallisierung der Solarzelle gemäß der in Figur 1 dargestellten Kontaktstruktur 1 vorteilhaft, insbeson- dere um geringe Serienwiderstandsverluste bei gleichzeitig geringer Abschattung der Vorderseite zu realisieren.
In Figur 2 ist schematisch die gedankliche Konstruktion von Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Halbleiterbauelemente dargestellt.
Bereits das in Figur 1 d dargestellte Ausführungsbeispiel weist selbst ähnliche Strukturen auf, da sich kammartig ineinander verschränkte Bereiche der Kontaktstrukturen 1 und 3 auf einer groben Skala durch die Folgeleitungsbahnen erster Ordnung (1.1A, 1 .1 B; 3.1A, 3.1 B) und auf einer kleineren Skala durch die Folgeleitungsbahnen zweiter Ordnung (1 .2A, 1.2B; 3.2A, 3.2B) wiederfinden. Die Folgeleitungsbahnen zweigen an den Verzweigungspunkten jeweils rechtwinklig zu den Folgeleitungsbahnen höherer Ordnung ab, so dass die selbst ähnlichen Strukturen bei Skalenwechsel jeweils von 90° gedreht angeordnet sind.
Die Ausgestaltung gemäß Figur 1 D kann daher als Fraktal dritter Ordnung bezeichnet werden.
Dies ist in Figur 2 verdeutlicht, indem ausgehend von einem Fraktal erster Ord- nung mit parallel liegenden Leitungsbahnen F.1 einer ersten Kontaktstruktur, F.2 einer zweiten Kontaktstruktur und F.3 einer dritten Kontaktstruktur, jeweils durch selbstähnliche Abbildung Fraktale höherer Ordnungen, dargestellt zweiter, dritter und vierter Ordnung, ausgebildet werden. Das Fraktal dritter Ordnung entspricht dem zu Figur 1 D beschriebenen Ausführungsbeispiel. Das Fraktal vierter Ordnung stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterelementes dar, entsprechend mit einer Source-Kontaktstruktur F.1 , einer Gate-Kontaktstruktur F.2 und einer Drain-Kontaktstruktur F.3.
Diese Kontaktstrukturen F.1 , F.2 und F.3 sind analog zu der Darstellung gemäß Figur 1.D ausgebildet, weisen allerdings zusätzlich Leitungsbahnen dritter Ordnung auf. Beispielhaft ist zu der Source-Kontaktstruktur F.1 ein Kontaktierungs- punkt F. 1 a, ein Verzweigungspunkt erster Ordnung F.1 .1 a, eine Folgeleitungsbahn erster Ordnung F.1.1A, eine Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung F.1.2A und eine Folgeleitungsbahn dritter Ordnung F.1.3A gekennzeichnet.
Durch diese Ausgestaltung als Fraktal vierter Ordnung werden gegenüber der Ausgestaltung als Fraktal dritter Ordnung die zuvor beschriebenen Vorteile nochmals verstärkt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Leitungsbahnen und insbesondere die Folgeleitungsbahnen mit stufenartig an jedem Verzweigungspunkt abnehmenden Durchleitungswiderstand, insbesondere stufenartig an jedem Verzweigungspunkt abnehmender Breite ausgebildet, wie an sich von so genannten „tapered-fingers" bei herkömmlichen kammartigen Kontaktierungsstrukturen bekannt. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise im Betriebszustand des Halbleiterbauelementes entlang einer Leitungsbahn der Leitungswiderstandsverlust und die Wärmedissipation in etwa konstant gehalten werden.
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel kann grundsätzlich analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 d ausgebildet sein. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Gate-Kontaktstruktur jedoch als Gate-Kontaktstruktur 2' in Form aneinandergereihter Mäander (beispielsweise bezeichnet Mäander 2'.1 und 2'.2) ausgebildet. Hierdurch werden aufgrund der Rundungen der Mäander (2'.1 , 2'.2) Spannungsspitzen vermieden oder zumindest verringert.
In den Figuren 4a) bis 4c) sind schematische Teildarstellungen von Folgeleitungsbahnen in drei Beispielen a, b und c dargestellt, um die stufenweise Breitenabnahme entlang einer Folgeleitungsbahn unter Anwendung der oben geschriebenen Bedingung zur Impedanzanpassung zu erläutern.
In den Figuren 4a) bis 4c) ist jeweils eine sich waagerecht erstreckende Folgeleitungsbahn erster Ordnung F1 dargestellt, welche sich waagerecht erstreckt, wobei in den Figuren a) und b) nur ein Teilausschnitt dargestellt ist, d. h. die Folgeleitungsbahn erster Ordnung F1 setzt sich nach rechts analog fort. Auf der jeweils linken Seite der Folgeleitungsbahn F1 in den Figuren 4a) bis 4c) ist die Folgeleitungsbahn F1 mit einem Kontaktierungspunkt K - gegebenenfalls über weitere zwischengeschaltete Teilstücke der Folgeleitungsbahn F1 - verbunden.
In dem in Figur 4a) dargestellten Ausführungsbeispiel verzweigt sich die Folgeleitungsbahn erster Ordnungsbahn F1 an einem Verzweigungspunkt V1 , indem eine Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung F2 abzweigt. Weiterhin wird die Folgeleitungsbahn F1 nach dem Verzweigungspunkt V1 weitergeführt (siehe markierten Teilbereich FT).
Mit Z und entsprechenden Indizies sind die Impedanzen der einzelnen Teilbereiche der Folgeleitungsbahn F1 und der Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung F2 gekennzeichnet. Um die Bedingung gemäß zuvor genannter Formel (1 ) zu erfüllen, ergibt sich somit für das in Figur 4a) dargestellte Beispiel eine Bedingung gemäß Formel 2:
1 1 1
· + -
ZLO Zu z;.2 (Formel 2).
Beträgt beispielsweise Z'L0=50Q, so kann Z"L1=66.6Q und Z"L2=200Q gewählt werden, um die Bedingung gemäß Formel (2) zu erfüllen.
In Figur 4b) ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, welches sich von dem Ausgangsbeispiel gemäß Figur 4a) dadurch unterscheidet, dass an dem Verzweigungspunkt V1 zwei Folgeleitungsbahnen zweiter Ordnung F2.1 und F2.2 abzweigen. Mit den in Figur 4b) angegebenen Bezeichnungen für die jeweiligen Impedanzen ergibt sich die Bedingung gemäß Formel (1 ) für dieses Ausführungsbeispiel somit zu Formel 3: (Formel (3).
Figure imgf000024_0001
Beträgt beispielsweise Z'L0=50O, so kann Z"L1=200Q, Z"L2=100Ü, Ζ"ί3=200Ω gewählt werden, um die Bedingung gemäß Formel (3) zu erfüllen. Figur 4c) zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem ausgehend von dem Ausgangsbeispiel gemäß Figur 4a) die Folgeleitungsbahn erster Ordnung F1 weitere Verzweigungspunkte V2 und V3 mit jeweils abzweigenden Folgeleitungsbahnen zweiter Ordnung F2.2 und F2.3 aufweist. In analoger Anwendung der Bedingung gemäß Formel (1 ) können beispielsweise für ΖΊ_0 =50Ω die Werte für Ζ"Μ=66.6Ω, Z"L2=200O, Z,"L2=200Q, Z"' = 100n, Z""L2=200Q und
Z""L, =200Q gewählt werden, um die Bedingung gemäß Formel (1 ) zu erfüllen.
Ein Maß für die Impedanzen Z der zugehörigen Teilstücke der Folgeieitungs- bahnen gemäß der Figuren 4a) bis 4c) ist die jeweilige Breite dieser Teilstücke. Insbesondere in Figur 4c) ist die stufenartig abnehmende Breite der Folgeleitungsbahn erster Ordnung F1 an jedem der Verzweigungspunkte V1 , V2 und V3 ersichtlich, die somit die I mpedanzänderung bewirkt.
Analog zu den Darstellungen gemäß der Figuren 4a) bis 4c) können die Folgeleitungsbahnen in der Darstellung gemäß Figur 1 ausgebildet sein, um die beschriebene vorteilhafte Impedanzanpassung zu erwirken. Wie bereits zuvor erwähnt, ist aus Gründen der besseren Darstellbarkeit in Figur 1 eine stufenartige Abnahme der Breite nicht gezeigt.

Claims

Ansprüche
1. Halbleiterbauelement, aufweisend zumindest eine erste Kontaktstruktur (1 , 2,
3, F.1 , F.2, F.3) zum Zuführen und/oder Abführen von Ladungsträgern zu dem Halbleiterbauelement, welche erste Kontaktstruktur (1 , 2, 3, F.1 , F.2, F.3) mindestens einen Kontaktierungspunkt (1 a, 2a, 3a, F. a) zum elektrisch leitenden Verbinden der ersten Kontaktstruktur (1 , 2, 3, F.1 , F.2, F.3) mit einem externen Anschluss aufweist und
welche erste Kontaktstruktur ausgehend von dem Kontaktierungspunkt mindestens einen Verzweigungspunkt erster Ordnung (1 .1 a, 1.1 b, F.1 .1 . a, 2.1 a, 2.1 b, 3.1 a, 3.1 b) aufweist, an welchem Verzweigungspunkt erster Ordnung zumindest eine Folgeleitungsbahn erster Ordnung (1.1 A, 1 .1 B, F.1.1 .A, 2.1A, 2.1 B, 3.1A, 3.1 B) abzweigt,
dadurch gekennzeichnet,
dass jede Folgeleitungsbahn erster Ordnung mindestens einen Verzweigungspunkt zweiter Ordnung (1.2a, 1 .2b, 2.2a, 2.2b, 3.2a, 3.2b) aufweist, an welchem Verzweigungspunkt zweiter Ordnung mindestens eine Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung (1 .2A, 1 .2B, 2.2A, 2.2B, 3.2A, 3.2A', 3.2B, 3.2B') abzweigt,
wobei der elektrische Durchleitungswiderstand jeder Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung höher ist als der elektrischen Durchleitungswiderstand der mit dieser Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung über einen gemeinsamen Verzweigungspunkt zweiter Ordnung verbundenen Folgeleitungsbahn erster
Ordnung.
2. Halbleiterbauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Durchleitungswiderstände der Folgeleitungsbahnen derart gewählt sind, dass bei Betrieb des Halbleiterbauelementes die elektrische Leitungswiderstandsverlustleistung jeder Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung um weniger als 10%, bevorzugt weniger als 5%, weiter bevorzugt weniger als 1 % von der elektrischen Leitungswiderstandsverlustleistung der mit dieser Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung über einen gemeinsamen Verzweigungspunkt zweiter Ordnung verbundenen Folgeleitungsbahn erster Ordnung abweicht, vorzugsweise, dass die durchschnittliche elektrische Leitungswiderstandsverlustleistungen der Leitungsbahnen um weniger als 10%, bevorzugt weniger als 5%, weiter bevorzugt weniger als 1 % voneinander abweichen.
3. Halbleiterbauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Durchleitungswiderstände der Folgeleitungsbahnen derart gewählt sind,
dass bei Betrieb des Halbleiterbauelementes die Stromdichte jeder Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung um weniger als 10%, bevorzugt weniger als 5%, weiter bevorzugt weniger als 1 % von der Stromdichte der mit dieser Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung über einen gemeinsamen Verzweigungspunkt zweiter Ordnung verbundenen Folgeleitungsbahn erster Ordnung abweicht, vorzugsweise,
dass die durchschnittliche elektrische Leitungswiderstandsverlustleistungen der Folgeleitungsbahnen um weniger als 1 0%, bevorzugt weniger als 5% , weiter bevorzugt weniger als 1 % voneinander abweichen.
4. Halbleiterbauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass jeder Folgeleitungsbahn eine aktive Teilfläche (X1 -X2, X 1 -X2') des Halbleiterbauelementes zugeordnet ist und der Durchleitungswiderstand jeder Folgeleitungsbahn proportional zum Quadrat des Kehrwerts der dieser Folgeleitungsbahn zugeordneten aktiven Teilfläche ist.
5. Halbleiterbauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die I mpedanz Z0 dieses Teilstücks einer Leitungsbahn zwischen einem erstem und einem zweitem Verzweigungspunkt derart gewählt wird, dass die Summe der Kehrwerte der Impedanzen Z, der an dem zweiten Verzweigungspunkt parallel geschalteten Leitungsbahnen gleich dem Kehrwert der Impedanz Z0 ist, wobei das Teilstück durch den ersten, dem Kontaktierungs- punkt (1 a) zugewandten Verzweigungspunkt (1 .2a) und den zweiten, dem Kontaktierungspunkt abgewandten Verzweigungspunkt (1 .2b) begrenzt ist und wobei erster und zweiter Verzweigungspunkt benachbart sind.
6. Halbleiterbauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass jede Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung mindestens einen Verzweigungspunkt dritter Ordnung aufweist, an welchem Verzweigungspunkt dritter Ordnung mindestens eine Folgeleitungsbahn dritter Ordnung abzweigt, wobei analog zu der Ausgestaltung der Folgeleitungsbahnen niedrigerer Ordnung der elektrische Durchleitungswiderstand jeder Folgeleitungsbahn dritter Ordnung höher ist als der elektrischen Durchleitungswiderstand der mit dieser Folgeleitungsbahn dritter Ordnung über einen gemeinsamen Verzweigungspunkt zweiter Ordnung verbundenen Folgeleitungsbahn zweiter Ordnung, vorzugsweise, dass in analoger Fortbildung jede Folgeleitungsbahn dritter Ordnung mindestens einen Verzweigungspunkt vierter Ordnung mit Folgeleitungsbahnen vierter Ordnung aufweist,
7. Halbleiterbauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest an jedem Verzweigungspunkt zweiter Ordnung mindestens zwei, bevorzugt genau zwei Folgeleitungsbahnen zweiter Ordnung abzweigen, insbesondere, dass an jedem Verzweigungspunkt mit einer Ordnung n größer 1 mindestens zwei, bevorzugt genau zwei Folgeleitungsbahnen n-ter Ordnung abzweigen.
8. Halbleiterbauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Kontaktstruktur zumindest in Teilbereichen, vorzugweise vollständig, selbstähnlich ausgebildet ist, insbesondere als fraktale Struktur zumindest zweiter, bevorzugt zumindest dritter, weiter bevorzugt zumindest vierter Ordnung ausgebildet ist,
9. Halbleiterbauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Halbleiterbauelement eine zweite Kontaktstruktur zum Zuführen und/oder Abführen von Ladungsträgern zu dem Halbleiterbauelement aufweist, welche zweite Kontaktstruktur analog zu der ersten Kontaktstruktur ausgebildet ist, vorzugsweise, dass die zweite und erste Kontaktstruktur ineinander verschränkt ausgebildet sind, insbesondere,
dass erste und zweite Kontaktstruktur als eine fraktale Struktur zumindest dritter, bevorzugt zumindest vierter Ordnung ausgehend von einer interdigi- talen Doppelkammstruktur als Grundstruktur zweiter Ordnung ausgebildet sind.
10. Halbleiterbauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Halbleiterbauelement als Transistor, bevorzugt als lateraler Transistor, insbesondere bipolarer Transistor oder Feldeffekttransistor, bevorzugt HFET Transistor, insbesondere bevorzugt GaN-HFET-Transistor ausgebildet ist.
1 1 , Halbleiterelement nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Kontaktstruktur als eine Drain-Kontaktierung (3) oder als eine Source-Kontaktierung (1 ) des Transistors ausbildet ist, insbesondere, dass das Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 5 ausgebildet ist und die erste Kontaktstruktur als eine Drain-Kontaktierung (3) und die zweite Kontaktstruktur als eine Source-Kontaktierung (1) des Transistors ausgebildet ist.
12. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Transistor eine Gate-Kontaktstruktur (2, 2') umfasst, weiche Gate- Kontaktstruktur analog zu der ersten Kontaktstruktur ausgebildet ist und/oder welche Gate-Kontaktstruktur (2') zumindest bereichsweise in Form aneinandergereihter Mäander (2M , 2'.2) ausgebildet ist.
13. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 0 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor als Leistungstransistor umfassend eine Mehrzahl von Teiltransistoren ausgebildet ist, insbesondere, dass jeder Leitungsbahn der größten Ordnung der ersten Kontaktstruktur ein, bevorzugt genau ein Teiltransistor zugeordnet ist.
4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 10 bis 1 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor als Hochfrequenztransistor ausgebildet ist und/oder dass der Transistor als lateraler Transistor ausgebildet ist. 5, Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Halbleiterbauelement als Diode ausgebildet ist.
PCT/EP2012/069285 2012-09-28 2012-09-28 Halbleiterbauelement mit mindestens einer kontaktstruktur zum zuführen und/oder abführen von ladungsträgern Ceased WO2014048504A1 (de)

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