DE10147696A1

DE10147696A1 - Halbleiteraufbau mit zwei Kathodenelektroden und Schalteinrichtung mit dem Halbleiteraufbau

Info

Publication number: DE10147696A1
Application number: DE2001147696
Authority: DE
Inventors: Rudolf Elpelt; Peter Friedrichs; Heinz Mitlehner
Original assignee: SiCED Electronics Development GmbH and Co KG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: DE10147696C2

Abstract

Der Halbleiteraufbau zum Steuern und Schalten eines Stroms (I) umfasst ein erstes Halbleitergebiet (2), einen zwischen einer Anodenelektrode (60) und einer ersten Kathodenelektrode (50) innerhalb des ersten Halbleitergebiets (2) verlaufenden ersten Strompfad (IP1) und ein erstes Kanalgebiet (22). Der erste Strompfad (IP1) verläuft durch das erste Kanalgebiet (22). Der Strom (I) wird innerhalb des ersten Kanalgebiets (22) mittels einer Verarmungszone (23, 24) beeinflusst. Der Halbleiteraufbau hat außerdem einen zwischen der Anodenelektrode (60) und einer zweiten Kathodenelektrode (51) innerhalb des ersten Halbleitergebiets (2) verlaufenden zweiten Strompfad (IP2), der das erste Kanalgebiet (22) nicht passiert. Dadurch wird das Sättigungsverhalten des Halbleiteraufbaus reduziert und seine Überlastfähigkeit erhöht.

Description

Die Erfindung betrifft einen zum Steuern und Schalten eines Stroms bestimmten Halbleiteraufbau, der mindestens ein erstes Halbleitergebiet eines ersten Leitungstyps, einen zwischen einer Anodenelektrode und einer ersten Kathodenelektrode zumindest teilweise innerhalb des ersten Halbleitergebiets verlaufenden ersten Strompfad und ein erstes Kanalgebiet, durch das der erste Strompfad verläuft, und innerhalb dessen der Strom mittels wenigstens einer Verarmungszone beeinflussbar ist, umfasst. Ein solcher Halbleiteraufbau ist aus der DE 198 33 214 C1 bekannt. Die Erfindung betrifft außerdem eine Schalteinrichtung zum Schalten bei einer hohen Betriebsspannung.
Zum Versorgen eines elektrischen Verbrauchers mit einem elektrischen Nennstrom wird der Verbraucher üblicherweise über ein Schaltgerät an ein elektrisches Versorgungsnetz geschaltet. Beim Einschaltvorgang und auch im Falle eines Kurzschlusses tritt ein Überstrom auf, der deutlich über dem Nennstrom liegt. Zum Schutz des elektrischen Verbrauchers muss das zwischen den Verbraucher und das elektrische Netz geschaltete Schaltgerät diesen Überstrom begrenzen und auch abschalten können. Weiterhin gibt es beispielsweise in der Umrichtertechnik Anwendungen, bei denen der Verbraucher im Falle einer in Sperrrichtung anliegenden Spannung auch sicher vom Versorgungsnetz getrennt werden soll. Für die beschriebenen Funktionen sind strombegrenzende Schalter in Form eines Halbleiteraufbaus bekannt.
So wird in der DE 198 33 214 C1 und auch in der WO 00/16403 A1 jeweils ein Halbleiteraufbau beschrieben, bei dem ein zwischen einer Anoden- und Kathodenelektrode auf einem Strompfad durch den Halbleiteraufbau fließender Strom gesteuert wird. Insbesondere kann der Strom ein- und ausgeschaltet oder auf einen maximalen Wert begrenzt werden. Der aktive Teil des Halbleiteraufbaus besteht aus einem ersten Halbleitergebiet eines vorgegebenen Leitungstyps, insbesondere des n-Leitungstyps. Der Leitungstyp wird bestimmt durch den Typ der Ladungsträger, mit denen das Halbleitergebiet dotiert ist. Zur Stromsteuerung und -beeinflussung ist innerhalb des ersten Halbleitergebiets mindestens ein im Strompfad angeordnetes laterales Kanalgebiet vorgesehen. Unter lateral oder auch horizontal wird hierbei eine Richtung parallel zu einer Hauptoberfläche des ersten Halbleitergebiets verstanden. Vertikal wird dagegen eine senkrecht zur Hauptoberfläche verlaufende Richtung bezeichnet. Das laterale Kanalgebiet wird durch mindestens einen p-n-Übergang, insbesondere durch die Verarmungszone (Zone mit Verarmung an Ladungsträgern und damit hohem elektrischen Widerstand; Raumladungszone) dieses p-n-Übergangs, in vertikaler Richtung begrenzt. Die vertikale Ausdehnung dieser Verarmungszone kann unter anderem durch eine Steuerspannung eingestellt werden. Der p-n-Übergang ist zwischen dem ersten Halbleitergebiet und einem vergrabenen p-leitenden Inselgebiet gebildet. Das vergrabene Inselgebiet übernimmt die Abschirmung der Kathodenelektrode gegenüber dem hohen elektrischen Feld in Sperrrichtung (= ausgeschalteter Zustand). Infolge des im lateralen Kanalgebiet längs der Stromflussrichtung auftretenden Spannungsabfalls kommt es bei einem hohen Stromwert zu einer Abschnürung des Kanalgebiets. Der Halbleiteraufbau kann keinen wesentlich höheren Strom tragen und die am Halbleiteraufbau abfallende Spannung steigt stark an. Dieser Effekt wird auch als Sättigung bezeichnet. Die daraus resultierende eingeschränkte Überlastfähigkeit ist ungünstig, wenn nur für eine kurze Zeitspanne, beispielsweise beim Anlauf eines elektrischen Motors, ein hoher Strom zu führen ist. Deshalb ist eine zumindest kurzfristige Erhöhung der Überlastfähigkeit wünschenswert.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, einen Halbleiteraufbau der eingangs bezeichneten Art anzugeben, der eine hohe Überlastfähigkeit aufweist. Weiterhin soll auch eine Schalteinrichtung mit einer hohen Überlastfähigkeit angegeben werden.
Zur Lösung der den Halbleiteraufbau betreffenden Aufgabe wird ein Halbleiteraufbau entsprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiteraufbau zur Steuerung eines Stroms handelt es sich um einen Halbleiteraufbau der eingangs bezeichneten Art, der gekennzeichnet ist durch einen zwischen der Anodenelektrode und einer zweiten Kathodenelektrode zumindest teilweise innerhalb des ersten Halbleitergebiets und am ersten Kanalgebiet vorbei verlaufenden zweiten Strompfad.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass durch einen zweiten Strompfad, der das erste Kanalgebiet nicht passiert, das Sättigungsverhalten des Halbleiteraufbaus reduziert und seine Überlastfähigkeit erhöht werden kann. Die Abschnürung des ersten Kanalgebiets ist maßgeblich für das Sättigungsverhalten des Halbleiteraufbaus verantwortlich. Selbst wenn es infolge eines hohen Stromflusses im ersten Kanalgebiet zur Sättigung kommt, kann der Halbleiteraufbau über den zweiten Strompfad noch einen weiter steigenden Strom führen. Durch eine gezielte Zu- oder Abschaltung des zweiten Strompfads kann die daraus resultierende erhöhte Überlastfähigkeit auch nur in solchen Betriebssituationen eingestellt werden, in denen von vornherein klar ist, dass der hohe Strom nur kurzfristig zu führen ist und somit den Halbleiteraufbau nicht gefährdet. In allen anderen Fällen erreicht man durch eine Deaktivierung des zweiten Strompfads ein durch den ersten Strompfad bestimmtes eigensicheres Verhalten, das insbesondere auch einen Überlastschutz gegenüber einem unvorhersehbaren und länger andauernden hohen Stromfluss, wie beispielsweise einem Kurzschlussstrom bietet. Weiterhin ist dann auch ein ebenfalls durch den ersteh Strompfad bestimmtes hohes Sperrvermögen gegeben. Der Halbleiteraufbau vereint also eine hohe Überlastfähigkeit und ein hohes Sperrvermögen in sich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Halbleiteraufbaus gemäß der Erfindung ergeben sich aus den vom Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.
Günstig ist ein sogenannter vertikaler Halbleiteraufbau, bei dem der Strom im Wesentlichen in vertikaler Richtung durch den Halbleiteraufbau geführt wird. Diese Ausführungsform ist in der Lage, im Sperrfall eine besonders hohe Sperrspannung zu tragen.
Die Stromsteuerung im ersten Strompfad erfolgt mittels eines vorzugsweise lateralen Kanalgebiets. In dieser Ausführungsform kann sowohl der zu führende Strom sicher an- und abgeschaltet werden, als auch eine hohe Sperrspannung vom Halbleiteraufbau aufgenommen werden. Außerdem bietet ein lateraler Kanal eine gewisse Eigensicherheit gegenüber einem kritischen Überlaststrom.
Weiterhin ist eine Variante möglich, bei der der Halbleiteraufbau ein innerhalb des ersten Halbleitergebiets zumindest teilweise vergrabenes Inselgebiet umfasst. Dieses Inselgebiet hat einen zweiten gegenüber dem ersten Leitungstyp (n oder p) entgegengesetzten Leitungstyp (p oder n). Das Inselgebiet bildet mit dem ersten Halbleitergebiet einen p-n-Übergang, dessen Verarmungszone im Durchlassbetrieb zur Steuerung zumindest des ersten Kanalgebiets und damit auch des Stromflusses zwischen Anoden- und erster Kathodenelektrode herangezogen werden kann. Das Inselgebiet dient im Sperrbetrieb außerdem der Abschirmung der Kathodenelektrode gegenüber dem hohen elektrischen Feld. Dadurch weist der Halbleiteraufbau ein sehr hohes Sperrvermögen auf.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht der Halbleiteraufbau teilweise oder auch komplett aus einem Halbleitermaterial, das einen Bandabstand von wenigstens 2 eV aufweist. Geeignete Halbleitermaterialien sind beispielsweise Diamant, Galliumnitrit (GaN), Indiumphosphid (InP) oder vorzugsweise Siliciumcarbid (SiC). Auf Grund der durch den hohen Bandabstand bedingten extrem niedrigen intrinsischen Ladungsträgerkonzentration (= Ladungsträgerkonzentration ohne Dotierung) sind die genannten Halbleitermaterialien, insbesondere SiC, sehr vorteilhaft. Die genannten Halbleitermaterialien weisen im Vergleich zu dem "Universalhalbleiter" Silicium eine deutlich höhere Durchbruchsfestigkeit auf, so dass der Halbleiteraufbau bei einer höheren Spannung eingesetzt werden kann und außerdem einen sehr geringen Durchlassverlust aufweist. Das bevorzugte Halbleitermaterial ist Siliciumcarbid, insbesondere einkristallines Siliciumcarbid vom 3C- oder 4H- oder 6H- oder 15R-Polytyp.
Zur Lösung der die Schalteinrichtung betreffenden Aufgabe wird eine Schalteinrichtung entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 8 angegeben.
Die Schalteinrichtung zum Schalten bei einer hohen Betriebsspannung umfasst eine Zusammenschaltung eines Hochspannungs(HV)-Schaltelements, das als ein erfindungsgemäßer Halbleiteraufbau ausgebildet ist, mit zwei Niederspannungs(NV)- Schaltelementen in Form einer Kaskodenschaltung. Je eines der beiden NV-Schaltelemente ist dabei an die erste bzw. zweite Kathodenelektrode angeschlossen und dient damit der Aktivierung und der Deaktivierung des ersten bzw. zweiten Strompfads innerhalb des Halbleiteraufbaus.
Die günstigen Eigenschaften des Halbleiteraufbaus hinsichtlich der gezielt veränderbaren, Überlastfähigkeit kommen somit auch in der Schalteinrichtung voll zum Tragen. Durch Aktivierung des zweiten Strompfads wird das Sättigungsverhalten reduziert. Gleichzeitig wird damit die Überlastfähigkeit der Schalteinrichtung im Durchlassbetrieb erhöht. Im Sperrbetrieb zeigt die Schalteinrichtung bei deaktiviertem zweiten Strompfad das gleiche vorteilhafte hohe Sperrvermögen wie eine Kaskodenschaltung in ihrer Grundform, bei der ein bekannter Halbleiteraufbau mit nur einer Kathodenelektrode zum Einsatz kommt.
Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt, und gewisse Merkmale sind schematisiert dargestellt. Im Einzelnen zeigen:
Fig. 1 einen Halbleiteraufbau mit zwei Kathodenelektroden,
Fig. 2 Kennlinien eines Halbleiteraufbaus gemäß Fig. 1 und eines Halbleiteraufbaus mit einer Kathodenelektrode sowie
Fig. 3 eine Schalteinrichtung mit einem Halbleiteraufbau gemäß Fig. 1.
Einander entsprechende Teile sind in den Fig. 1 bis 3 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist ein Halbleiteraufbau 100 zur Steuerung eines Stroms I in Form eines vertikalen Sperrschicht-Feldeffekt- Transistors (JFET) dargestellt. Der in Fig. 1 gezeigte Halbleiteraufbau ist lediglich eine Halbzelle. Durch Spiegelung an dem rechten Rand der Halbzelle erhält man eine komplette Zelle. Eine Mehrzellenstruktur ergibt sich entsprechend durch mehrfache Spiegelung.
Der aktive Teil, in dem die Stromsteuerung im Wesentlichen stattfindet, ist in einem n-leitenden (Elektronenleitung) ersten Halbleitergebiet 2 enthalten. Innerhalb des ersten Halbleitergebiets 2 ist ein p-leitendes (Löcherleitung) vergrabenes Inselgebiet 3 angeordnet. Das erste Halbleitergebiet 2 weist eine nicht ebene erste Oberfläche 20, das vergrabene Inselgebiet 3 eine zweite Oberfläche 80 auf. Beide Oberflächen 20 und 80 laufen im Wesentlichen parallel zueinander. Der Halbleiteraufbau 100 wird insbesondere deshalb als vertikal bezeichnet, da der Stromfluss größtenteils vertikal, d. h. senkrecht zur zweiten Oberfläche 80 durch den Halbleiteraufbau 100 erfolgt.
Das erste Halbleitergebiet 2 setzt sich im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 aus einem Halbleitersubstrat 27 und zwei darauf angeordneten, epitaktisch aufgewachsenen Halbleiterschichten 261 und 262 zusammen. Die erste Oberfläche 20 gehört zur zweiten, nach dem epitaktischen Wachstum weiter bearbeiteten Epitaxieschicht 262 und die zweite Oberfläche 80 zur ersten Epitaxieschicht 261. Die beiden Epitaxieschichten 261 und 262 haben in etwa eine gleiche Dotierung. Sie sind insbesondere niedriger dotiert (n^-) als das Halbleitersubstrat 27 (n⁺).
An der ersten Oberfläche 20 sind innerhalb des ersten Halbleitergebiets 2 ein erstes und ein zweites n-leitendes Kontaktgebiet 5 bzw. 6 vorgesehen. Sie sind hoch dotiert (n⁺). In einer Projektion auf die zweite Oberfläche 80 erstreckt sich das Inselgebiet 3 in allen Richtungen parallel zur zweiten Oberfläche 80 weiter als das erste Kontaktgebiet 5. Dadurch wird eine gute Abschirmung des ersten Kontaktgebiets 5 erreicht. Das erste Kontaktgebiet 5 ist mittels einer ersten Kathodenelektrode 50, das zweite Kontaktgebiet 6 mittels einer zweiten Kathodenelektrode 51 ohmsch kontaktiert.
Angrenzend an einen zurückversetzten Teil der Oberfläche 20 ist innerhalb des ersten Halbleitergebiets 2 außerdem mindestens ein zweites Halbleitergebiet 4 angeordnet, das den p-Leitungstyp aufweist und hoch dotiert (p⁺) ist. Wiederum erstreckt sich das Inselgebiet 3 in einer Projektion auf die zweite Oberfläche 80 in allen Richtungen parallel zur zweiten Oberfläche 80 weiter als das zweite Halbleitergebiet 4. Es gibt jedoch auch andere nicht gezeigte Ausführungsformen, bei denen sich das Inselgebiet 3 und das zweite Halbleitergebiet 4 in der genannten Projektion nur an ihren Rändern überlappen. Das zweite Halbleitergebiet 4 ist mittels der ersten Kathodenelektrode 50 ohmsch kontaktiert und folglich mit dem ersten Kontaktgebiet 5 elektrisch kurzgeschlossen.
Vorzugsweise wird das vergrabene Inselgebiet 3 nach Aufbringen der ersten Epitaxieschicht 261 mittels Ionenimplantation hergestellt. Es folgt in einem zweiten epitaktischen Wachstumsschritt das Aufbringen der zweiten Epitaxieschicht 262 und die Erzeugung der Kontaktgebiete 5 und 6 sowie des zweiten Halbleitergebiets 4 mittels Implantation von Ionen in die zweite Epitaxieschicht 262.
Innerhalb der zweiten Epitaxieschicht 262 ist ein Kontaktloch 70 vorgesehen, das sich in vertikaler Richtung bis zu der zweiten Oberfläche 80 erstreckt. Das Kontaktloch 70 legt einen Teil des vergrabenen Inselgebiets 3 frei, so dass es mittels einer Steuerelektrode 40 ohmsch kontaktiert werden kann. Das Kontaktloch 70 wird ebenso wie die zurückversetzten Teile der Oberfläche 20 beispielsweise mittels eines Trockenätzprozesses hergestellt. Um Schwankungen in der Ätztiefe auszugleichen, können gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform auch mehrere Kontaktlöcher 70, die dann jeweils einen kleineren Durchmesser aufweisen, vorgesehen sein.
Auf einer von der ersten Oberfläche 20 abgewandten Seite des ersten Halbleitergebiets 2 ist zur ohmschen Kontaktierung des Substrats 27 eine Anodenelektrode 60 vorgesehen. Für die beiden Kathodenelektroden 50 und 51, die Anodenelektrode 60 sowie die Steuerelektrode 40 wird Polysilicium oder ein Metall, vorzugsweise Nickel, Aluminium, Tantal, Titan oder Wolfram, als Kontaktwerkstoff verwendet.
Als Halbleitermaterial kommt in dem Halbleiteraufbau 100 Siliciumcarbid (SiC) zum Einsatz. Es eignet sich insbesondere bei hohen Spannungen auf Grund seiner spezifischen Materialeigenschaften besonders gut. Bevorzugte Dotierstoffe sind Bor und Aluminium für eine p-Dotierung sowie Stickstoff und Phosphor für eine n-Dotierung. Die Dotierstoffkonzentration der beiden Kontaktgebiete 5 und 6 liegt typischerweise zwischen 1 × 10¹⁹ cm^-3 und 1 × 10²⁰ cm^-3 und die der beiden Epitaxieschichten 261 und 262 typischerweise bei höchstens 5 × 10¹⁶ cm^-3. Das Zeichen "x" wird hier als Multiplikationssymbol verwendet. Die Dotierung und auch die Dicke der ersten Epitaxieschicht 261 hängen insbesondere von der im Sperrfall von dem Halbleiteraufbau 100 aufzunehmenden Sperrspannung ab. Je höher die Sperrspannung ist, desto niedriger liegt diese Dotierung. Die Epitaxieschicht 261 hat im Wesentlichen das zu sperrende elektrische Feld zu tragen. Die beiden p-leitenden Gebiete 3 und 4 haben eine Dotierstoffkonzentration von jeweils mindestens 5 × 10¹⁷ cm^-3. Im Beispiel ist das vergrabene Inselgebiet 3 mit etwa 5 × 10¹⁸ cm^-3 und das zweite Halbleitergebiet 4 mit etwa 2 × 10¹⁹ cm^-3 dotiert.
Der Strom I kann den Halbleiteraufbau 100 auf zwei verschiedenen Strompfaden passieren. Ein erster Strompfad IP1 verläuft zwischen der Anodenelektrode 60 und der ersten Kathodenelektrode 50. Er umfasst das erste Kontaktgebiet 5, ein im ersten Halbleitergebiet 2 angeordnetes laterales Kanalgebiet 22, ein ebenfalls im ersten Halbleitergebiet 2 angeordnetes vertikales Kanalgebiet 21 sowie eine sich danach anschließende Driftzone, die sich aus dem verbleibenden Teil der ersten Epitaxieschicht 261 und dem Substrat 27 zusammensetzt. Daneben gibt es einen zweiten Strompfad IP2, der zwischen der Anodenelektrode 60 und der zweiten Kathodenelektrode 51 verläuft. Der zweite Strompfad IP2 beinhaltet das zweite Kontaktgebiet 6, das vertikale Kanalgebiet 21 sowie die genannte Driftzone. Der Strom I wird üblicherweise auf dem Strompfad IP1 durch den Halbleiteraufbau 100 geführt.
Die Stromsteuerung wird dann maßgeblich durch das im ersten Strompfad IP1 gelegene laterale Kanalgebiet 22 bestimmt. Sein Kanalwiderstand hängt von der lokalen Ausdehnung zweier Verarmungszonen ab. Zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleitergebiet 2 bzw. 4 liegt ein p-n-Übergang mit einer ersten Verarmungszone 24. Außerdem existiert zwischen dem ersten Halbleitergebiet 2 und dem vergrabenen Inselgebiet 3 ein weiterer p-n-Übergang mit einer zweiten Verarmungszone 23. Die Verarmungszonen 23 und 24 umgeben das gesamte vergrabene Inselgebiet 3 bzw. das zweite Halbleitergebiet 4. Soweit sie sich in das erste Halbleitergebiet 2 ausdehnen, sind sie in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet. Die erste und die zweite Verarmungszone 24 bzw. 23 begrenzen in vertikaler Richtung das laterale Kanalgebiet 22.
Typischerweise beträgt die Länge (= laterale Ausdehnung) des lateralen Kanalgebiets 22 bei einem aus Siliciumcarbid hergestellten Halbleiteraufbau 100 zwischen 1 µm und 5 µm. Vorzugsweise ist das laterale Kanalgebiet 22 möglichst kurz ausgebildet. Dann ergibt sich ein sehr kompakter Gesamtaufbau mit geringem Platzbedarf. Die vertikale Ausdehnung liegt im spannungs- und stromfreien Zustand typischerweise zwischen 0,5 µm und 2 µm. Die Verarmungszonen 23 und 24 sind durch eine starke Verarmung an Ladungsträgern gekennzeichnet und weisen damit einen wesentlich höheren elektrischen Widerstand auf, als das von ihnen in vertikaler Richtung begrenzte laterale Kanalgebiet 22. Die räumliche Ausdehnung der beiden Verarmungszonen 23 und 24, insbesondere die in vertikaler Richtung, variiert in Abhängigkeit der herrschenden Strom- und Spannungsverhältnisse.
Bei einer Ausbildung als Strombegrenzer hängt das Verhalten bei Anliegen einer Betriebsspannung in Durchlassrichtung (= Vorwärtsrichtung) von dem zwischen den beiden Elektroden 50 und 60 auf dem ersten Strompfad IP1 durch den Halbleiteraufbau 100 fließenden elektrischen Strom I ab. Mit steigender Stromstärke wächst auf Grund des Bahnwiderstands der Vorwärtsspannungsabfall zwischen den Elektroden 50 und 60. Dies führt zu einer Vergrößerung der Verarmungszonen 23 und 24 und folglich zu einer mit einer entsprechenden Widerstandserhöhung verbundenen Verminderung der stromtragenden Queschnittsfläche im lateralen Kanalgebiet 22. Bei Erreichen eines bestimmten kritischen Stromwerts (= Sättigungsstrom) berühren sich die beiden Verarmungszonen 23 und 24 und schnüren das laterale Kanalgebiet 22 vollständig ab. Dadurch ergibt sich eine Eigensicherheit gegenüber einem kritischen Überlaststrom, der ansonsten zur Zerstörung des Halbleiteraufbaus 100 führen könnte.
Die beschriebene Kanalabschnürung kann auch erreicht werden, indem eine Steuerspannung an die Steuerelektrode 40 angelegt wird. Dadurch dehnt sich die zweite Verarmungszone 23 in vertikaler Richtung in den lateralen Kanal 22 hinein aus.
Der Halbleiteraufbau 100 ist eine aktive Anordnung, da der Stromfluss innerhalb des Halbleiteraufbaus 100 durch eine externe Maßnahme (Steuerspannung) beeinflusst werden kann. Es sind jedoch beispielsweise aus der WO 00/16403 A1 auch andere hier nicht gezeigte Ausführungsformen bekannt, die zu einer passiven Stromsteuerung führen. Außerdem ist es auch möglich, dass die erste Verarmungszone 24 nicht durch einen p-n-Übergang, sondern durch einen auf der ersten Oberfläche 20 vorgesehenen Schottky-Kontakt hervorgerufen wird. Der Schottky- Kontakt ersetzt dann das beim Halbleiteraufbau 100 vorgesehene ohmsch kontaktierte p-leitende zweite Halbleitergebiet 4.
Es versteht sich, dass die beim Halbleiteraufbau 100 in den jeweiligen Halbleitergebieten vorgesehenen Leitungstypen bei einer alternativen Ausführungsform auch den jeweils entgegengesetzten Leitungstyp annehmen können.
Das Sättigungsverhalten, das der Halbleiteraufbau 100 bei einem hohen Strom I aufgrund der Abschnürung des lateralen Kanalgebiets 22 im ersten Strompfad IP1 zeigt, ist zwar einerseits aus Gründen des Überlastschutzes (Eigensicherheit) erwünscht, andererseits begrenzt es aber auch die Überlastfähigkeit insbesondere in einem Betriebszustand, bei dem nur kurzzeitig ein hoher Strom I vom Halbleiteraufbau 100 zu führen ist. Ein solcher Betriebszustand ist beispielsweise die Anlaufphase eines elektrischen Motors, die durch einen kurzzeitigen hohen Anlaufstrom gekennzeichnet ist. In einem solchen Betriebszustand ist es günstiger, wenn keine Sättigung auftritt.
Vorteilhafterweise ist beim Halbleiteraufbau 100 der zweite Strompfad IP2 vorgesehen, der nicht durch das das Sättigungsverhalten im Wesentlichen bestimmende laterale Kanalgebiet 22 verläuft. Das von beiden Strompfaden IP1 und IP2 erfasste vertikale Kanalgebiet 21 zeigt dagegen kein oder nur ein sehr geringes Sättigungsverhalten. Dies liegt an der durch die Dicke des Inselgebiets 3 bestimmten nur sehr kurzen Abmessung des vertikalen Kanalgebiets 21 in Richtung des Stromflusses. Damit kann der Halbleiteraufbau 100 bei Bedarf, d. h. insbesondere in einem Betriebszustand, der eine erhöhte Überlastfähigkeit erfordert, durch zusätzliche oder ausschließliche Verwendung des zweiten Strompfads IP2 mit deutlich reduzierter Sättigung betrieben werden. Bei Verwendung beider Strompfade IP1 und IP2 ergibt sich außerdem eine erhöhte Stromtragfähigkeit und ein reduzierter Durchlasswiderstand.
Dieses Durchlassverhalten des Halbleiteraufbaus 100 ist im Diagramm von Fig. 2 veranschaulicht. Aufgetragen ist der Strom I über der Spannung U zwischen der Anodenelektrode 60 und den beiden Kathodenelektroden 50 und 51. Die gezeigten Stromwerte beziehen sich auf einen Halbleiteraufbau 100 mit einer Querschnittsfläche von 4,1 mm². Zur Verdeutlichung der vorteilhaften Wirkung des zweiten Strompfads IP2 auf das Sättigungsverhalten ist in Fig. 2 neben einer für den Halbleiteraufbau 100 ermittelten Kennlinie 91 auch eine zweite Kennlinie 92 eines nicht gezeigten vergleichbaren Halbleiteraufbaus mit nur einem Strompfad IP1 und nur einer Kathodenelektrode 50 dargestellt. Anhand von Kennlinie 91 ist offensichtlich, dass der Halbleiteraufbau 100 einen praktisch sättigungsfreien Betrieb ermöglicht und auch einen deutlich niedrigeren Durchlasswiderstand aufweist.
Der Halbleiteraufbau 100 kann aber ebenso eigensicher, also mit hohem Überlastschutz beispielsweise gegenüber einem hohen Kurzschlussstrom betrieben werden, in dem der Strom I nur auf dem ersten Strompfad IP1 geführt wird. Der zweite Strompfad IP2 ist dann beispielsweise aufgrund einer entsprechenden externen Beschaltung der zweiten Kathodenelektrode 51 deaktiviert. Der zweite Strompfad IP2 wird insbesondere nur dann zugeschaltet, wenn ein Betriebszustand mit einem kurzzeitig hohen Stromfluss erwartet wird. Wie das Beispiel eines gewollten Motoranlaufs verdeutlicht, ist ein solcher Betriebszustand im Gegensatz zu einem Kurzschlussfall stets vorhersagbar, so dass die entsprechenden externen Schaltungsmaßnahmen ohne weiteres vorgenommen werden können.
Durch Deaktivierung des zweite Strompfads IP2 erreicht man außerdem, dass der Halbleiteraufbau 100 im Sperrbetrieb ein sehr hohes Sperrvermögen aufweist. Im Strompfad IP1, genauer gesagt im lateralen Kanalgebiet 22, stellt sich dann die im Sperrfall erwünschte Abschnürung ein. Hierfür ist beim Halbleiteraufbau 100 aufgrund der günstigen Topologie auch keine hohe Sperrsteuerspannung an der Steuerelektrode 40 erforderlich. Ein typischer Wert für diese Sperrsteuerspannung liegt bei etwa 20 bis 30 V. Außerdem schirmt das Inselgebiet 3 die beiden Kathodenelektroden 50 und 51 wirksam gegenüber der hohen elektrischen Sperrfeldstärke ab. Der Halbleiteraufbau 100 hat also sowohl eine gezielt einstellbare hohe Überlastfähigkeit im Durchlassbetrieb als auch ein hohes Sperrvermögen im Sperrbetrieb.
In Fig. 3 ist eine Schalteinrichtung 10 gezeigt, die einen Halbleiteraufbau 100 mit einem Beispiel für eine externe Beschaltung enthält. Die Schalteinrichtung 10 ist eine Abwandlung der in US 6,157,049 beschriebenen sogenannten Kaskodenschaltung, die in ihrer Grundform auf einer speziellen Zusammenschaltung eines Niederspannungs(NV)- und eines Hochspannungs(HV)-Schaltelements basiert. In der US 6,157,049 ist auch die Wirkungsweise der Kaskodenschaltung in ihrer Grundform beschrieben.
Die Schalteinrichtung 10 dient zum Zu- und Abschalten einer Last 15 an eine hohe Betriebsspannung UB. Sie ist auch in der Lage, eine hohe Betriebsspannung UB sicher zu sperren. Die Betriebsspannung UB liegt im Ausführungsbeispiel bei 1200 V. Eine höhere Betriebsspannung ist jedoch ebenfalls denkbar. Als Last 15 kommt z. B. ein Motor oder ein in einem drehzahlveränderbaren Antrieb eingesetzter Umrichterzweig in Frage.
Die Schalteinrichtung 10 beinhaltet ein erstes und zweites NV-Schaltelement in Form eines selbstsperrenden (= normally off) MOSFETs 150 bzw. 250 sowie ein HV-Schaltelement in Form eines selbstleitenden (= normally on) Sperrschicht-Feldeffekttransistors (JFET) 200. Der JFET 200 ist dabei als Halbleiteraufbau 100 gemäß Fig. 1 ausgebildet. Er nimmt im sperrenden, d. h. ausgeschalteten Zustand im Wesentlichen die Betriebsspannung UB auf.
Der JFET 200 hat einen ersten und zweiten HV-Kathodenanschluss 201 bzw. 202, einen HV-Anodenanschluss 203 sowie einen HV-Gitteranschluss 204. Der erste und zweite HV-Kathodenanschluss 201 bzw. 202 ist elektrisch mit der ersten bzw. zweiten Kathodenelektrode 50 bzw. 51, der HV-Anodenanschluss 203 mit der Anodenelektrode 60 und der HV-Gitteranschluss 204 mit der Steuerelektrode 40 kurzgeschlossen. Die MOSFETs 150 und 250 haben jeweils einen NV-Kathodenanschluss 151 bzw. 251, einen NV-Anodenanschluss 152 bzw. 252 sowie einen NV- Gitteranschluss 153 bzw. 253. Die zuletzt genannten NV-Gitteranschlüsse 153 und 253 sind zum Betrieb an einer ersten Steuerspannung UC1 bzw. UC2 bestimmt ist, mittels derer die Schalteinrichtung 10 zwischen leitendem und sperrendem Zustand umgeschaltet werden kann.
Die MOSFETs 150 und 250 sowie der JFET 200 sind in abgewandelter Kaskodenschaltung zusammengeschaltet. Hierzu ist der erste NV-Anodenanschluss 152 mit dem ersten HV-Kathodenanschluss 201, der zweite NV-Anodenanschluss 252 mit dem zweiten HV-Kathodenanschluss 202 sowie beide NV-Kathodenanschlüsse 151 und 251 mit dem HV-Gitteranschluss 204 elekrisch kurzgeschlossen.
Im Ausführungsbeispiel von Fig. 3 sind die MOSFETs 150 und 250 in Silicium (Si) und der JFET 200 in Siliciumcarbid (SiC) realisiert. Dadurch wird die in Silicium erreichbare hohe Schaltgeschwindigkeit für die Initiierung der Ein-/Ausschaltung und außerdem die im Siliciumcarbid erzielbare hohe Durchbruchspannung ausgenützt.
Durch gezielte Ansteuerung der beiden MOSFETs 150 und 250 über die Steuerspannungen UC1 bzw. UC2 kann im Durchlasszustand je nach äußerer Gegebenheit (= Betriebszustand der Last 15) das beschriebene sättigungsbehaftete oder sättigungsfreie Stromsteuerungsverhalten des JFETs 200 (= Halbleiteraufbau 100) ausgewählt werden. Je nachdem welches Potential die Steuerspannungen UC1 und UC2 aufweisen, wird der Strom I im JFET 200 nur im ersten Strompfad IP1, nur im zweiten Strompfad IP2 oder in beiden Strompfaden IP1 und IP2 geführt. Der JFET 200 mit den beiden Strompfaden IP1 und IP2 ermöglicht im Durchlassbetrieb also ein flexibel an die äußeren Gegebenheiten anpassbares Verhalten der Kaskodenschaltung. Andererseits hat der JFET 200 verglichen mit einer JFET-Ausführungsform ohne zweiten Strompfad IP2 aber keinen nachteiligen Einfluss auf das Sperrvermögen der gesamten Kaskodenschaltung.

Claims

1. Halbleiteraufbau zum Steuern und Schalten eines Stroms (I) umfassend mindestens:

a) ein erstes Halbleitergebiet (2) eines ersten Leitungstyps,

b) einen zwischen einer Anodenelektrode (60) und einer ersten Kathodenelektrode (50) zumindest teilweise innerhalb des ersten Halbleitergebiets (2) verlaufenden ersten Strompfad (IP1) und

c) ein erstes Kanalgebiet (22), durch das der erste Strompfad (IP1) verläuft, und innerhalb dessen der Strom (I) mittels wenigstens einer Verarmungszone (23, 24) beeinflussbar ist,

gekennzeichnet durch

a) einen zwischen der Anodenelektrode (60) und einer zweiten Kathodenelektrode (51) zumindest teilweise innerhalb des ersten Halbleitergebiets (2) und am ersten Kanalgebiet (22) vorbei verlaufenden zweiten Strompfad (IP2).

2. Halbleiteraufbau nach Anspruch 1, bei dem der erste und der zweite Strompfad (IP1, IP2) im wesentlichen in vertikaler Richtung verlaufen.

3. Halbleiteraufbau nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das erste Kanalgebiet ein laterales Kanalgebiet (22) ist.

4. Halbleiteraufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein zweites Kanalgebiet (21) vorgesehen ist, durch das der erste und der zweite Strompfad (IP1, IP2) verlaufen.

5. Halbleiteraufbau nach Anspruch 4, bei dem das zweite Kanalgebiet ein vertikales Kanalgebiet (21) ist.

6. Halbleiteraufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein innerhalb des ersten Halbleitergebiets (2) zumindest teilweise vergrabenes Inselgebiet (3) eines zweiten gegenüber dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps angeordnet ist.

7. Halbleiteraufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Siliciumcarbid als Halbleitermaterial vorgesehen ist.

8. Schalteinrichtung zum Schalten bei einer hohen Betriebsspannung, umfassend mindestens

a) ein erstes HV-Schaltelement (200) in Form des Halbleiteraufbaus nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem ersten und einem zweiten HV-Kathodenanschluss (201, 202), der mit der ersten bzw. zweiten Kathodenelektrode (50 bzw. 51) elektrisch verbunden ist, einem HV-Anodenanschluss (203), der mit der Anodenelektrode (60) elekrisch verbunden ist, und einem HV-Steueranschluss (204),

b) ein erstes und ein zweites NV-Schaltelement (150, 250) mit einem ersten bzw. zweiten NV-Kathodenanschluss (151), einem ersten bzw. zweiten NV-Anodenanschluss (152, 252) und einem ersten bzw. zweiten NV-Steueranschluss (153, 253),

c) wobei der erste NV-Anodenanschluss (152) mit dem ersten HV-Kathodenanschluss (201) und der zweite NV-Anodenanschluss (252) mit dem zweiten HV-Kathodenanschluss (202) elektrisch kurzgeschlossen ist sowie beide NV-Kathodenanschlüsse (151, 251) mit dem HV-Steueranschluss (204) elektrisch kurzgeschlossen sind.