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Die Erfindung betrifft ein Halbleiter-Schaltelement.
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Halbleiter-Schaltelemente werden heutzutage vermehrt in Automobilen eingesetzt, beispielsweise beim Schalten von Motoren zum Anheben oder Absenken der Fensterscheiben. Die Motoren stellen schaltungstechnisch betrachtet ohmsch-induktive Lasten dar, die in der Induktivität elektrische Energie speichern. Beim Abschalten der Motoren tritt eine hohe thermische Belastung des Halbleiter-Schaltelements auf, da die in dem induktiven Teil der Last gespeicherte Energie im Halbleiter-Schaltelement in Wärme umgesetzt wird.
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Zur Begrenzung der thermischen Belastung ist es bekannt, in den Stromkreis, in den die induktive Last sowie das Halbleiter-Schaltelement integriert sind, eine Freilaufdiode aufzunehmen, die antiparallel zur induktiven Last geschaltet ist. Die Freilaufdiode setzt die in der Induktivität der Last gespeicherte Energie nach Öffnen des Halbleiter-Schaltelements (das heißt nach Unterbrechung des Stromkreises) anstelle des Halbleiter-Schaltelements in Wärme um.
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Der Umsetzungsprozess von elektrischer Energie in Wärme erfolgt in einer Freilaufdiode über einen relativ langen Zeitraum, verglichen zu einem entsprechenden Umsetzungsprozess in einem Halbleiter-Schaltelement. Dies hat den Vorteil, dass kein übermäßig großer ”Wärmepuffer” (Halbleitervolumen) innerhalb der Freilaufdiode erforderlich ist, die Abmessungen der Freilaufdiode können kompakt gehalten werden.
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Bei Verzicht auf die Freilaufdiode muss zum Umwandeln der in der Induktivität der Last gespeicherten Energie in Wärme das Halbleiter-Schaltelement entweder in einen ”Avalanche”-Zustand getrieben werden, was das Halbleiter-Schaltelement stark beanspruchen würde, oder ein ”Clamping” auf dem Gatekontakt erfolgen, was die am Halbleiter-Schaltelement anliegende Spannung auf einen Wert begrenzen würde, der unterhalb der Sperrfähigkeit des Halbleiter-Schaltelements läge.
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Der Einsatz einer Freilaufdiode hat, wie bereits erwähnt, den Vorteil, dass eine hohe thermische Belastung des Halbleiter-Schaltelements vermieden werden kann. Nachteilig ist jedoch, dass die aus ohmsch-induktiver Last, Freilaufdiode und Halbleiter-Schaltelement bestehende Schaltungsanordnung nicht mehr sicher gegenüber eine Verpolung einer Strom-/Spannungsversorgung ist, was im Folgenden unter Bezugnahme auf 1 näher erläutert werden soll.
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DE 195 02 731 C2 betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verpolsicherung bei Halbleiterschaltungen und ist dadurch gekennzeichnet, dass ein MOS-Transistor, der in einem p- oder n-Substrat aufgebaut ist, mit der zu versorgenden Schaltung in Reihe geschaltet ist, und dass diejenige Elektrode des MOS-Transistors als äußere Anschlusselektrode dient, die wenigstens in Höhe der Betriebsspannung negativ gegenüber einem p-Substrat bzw. positiv gegenüber einem n-Substrat sein darf.
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DE 100 38 968 A1 betrifft eine Schaltungsanordnung, die ein Halbleiterschaltelement, das in einem ersten Halbleiterkörper integriert ist, und ein dazu in Reihe geschaltetes weiteres Halbleiterbauelement, das in einem zweiten Halbleiterkörper integriert ist, aufweist, wobei der zweite Halbleiterkörper auf einem Kühlkörper angeordnet ist und dass der erste Halbleiterkörper auf dem zweiten Halbleiterkörper angeordnet ist.
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Aus der Druckschrift
US 5 349 230 A ist ein Hochgeschwindigkeitstransistor bekannt, dessen Emitter- und Kollektoranschluss parallel zu einer Hochgeschwindigkeitsdiode und parallel zu einer Konstantspannungsdiode geschaltet ist.
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Aus der Druckschrift
EP 0 862 220 A1 ist ein IGBT bekannt, der in Parallelschaltung zu einer induktiven Last eine Freilaufdiode aufweist.
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1 zeigt eine herkömmliche Schaltungsanordnung 1 mit einem Stromkreis 2, in den eine (ohmsch-induktive) Last 3 und eine Strom-/Spannungsquelle 4 zur Strom-/Spannungsversorgung der Last 3 geschaltet sind. Weiterhin ist in den Stromkreis 2 ein Halbleiter-Schaltelement 5 zum Öffnen und Schließen des Stromkreises 2 geschaltet. Zur Umsetzung von in der Last 3 gespeicherten Energie in Wärme ist eine Freilaufdiode 6 antiparallel zur Last 3 geschaltet.
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Im Falle einer Verpolung der Strom-/Spannungsquelle 4 bestünde zwischen den Polen der Strom-/Spannungsquelle 4 ein über die Freilaufdiode 6 verlaufender niederohmiger Strompfad, der die Last 3, die den Strom begrenzt, überbrücken würde. Um dieses Problem zu umgehen, wird normalerweise eine Verpolungs-Schutzdiode (hier nicht gezeigt) zum Schutz des Halbleiter-Schaltelements 5 gegenüber einer Verpolung der Strom-/Spannungsquelle 4 in Serie zum Halbleiter-Schaltelement 5 in den Stromkreis 2 geschaltet. Die Verpolungs-Schutzdiode muss hierbei auf den vollen Laststrom dimensioniert werden, benötigt also zusätzliche Fläche auf einer Platine, auf der die Schaltungsanordnung 1 (oder Teile davon) aufgebracht ist. Weiterhin muss für eine gute thermische ”Anbindung” der Verpolungs-Schutzdiode an die Umgebung gesorgt werden, um in der Verpolungs-Schutzdiode erzeugte Verlustwärme effektiv nach außen abgeben zu können.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist, ein Halbleiter-Schaltelement anzugeben, die einen effektiven Schutz des Halbleiter-Schaltelements gegenüber einer Verpolung der Strom-/Spannungsquelle ermöglichen, ohne dass im Gegenzug Nachteile in Kauf genommen werden müssten, die das Vorsehen einer Verpolungs-Schutzdiode normalerweise mit sich bringt.
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Zur Lösung der Aufgabe stellt die Erfindung ein Halbleiter-Schaltelement gemäß Patentanspruch 1 bereit. Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen des Erfindungsgedankens finden sich in den Unteransprüchen.
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Eine das erfindungsgemäße Halbleiter-Schaltelement umfassende Schaltungsanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass in einen Stromkreis:
- – eine Last und eine Strom-/Spannungsquelle zur Strom-/Spannungsversorgung der Last,
- – ein Halbleiter-Schaltelement zum Öffnen und Schließen des Stromkreises,
- – eine antiparallel zur Last geschaltete Freilaufdiode zur Umsetzung von in der Last gespeicherten Energie in Wärme, und
- – eine Verpolungs-Schutzdiode zum Schutz des Halbleiter-Schaltelements gegenüber einer Verpolung der Strom-/Spannungsquelle
geschaltet sind. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist, dass die Verpolungs-Schutzdiode in das Halbleiter-Schaltelement in Form eines zusätzlichen pn-Übergangs integriert ist. Alternativ kann die Verpolungs-Schutzdiode auch in Form einer Schottky-Diode (eines zusätzlichen Schottky-Kontakts) in das Halbleiter-Schaltelement integriert sein.
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Die Erfindung lässt sich sowohl mit einem Leistungstransistor als auch mit einer integrierten Schaltung integrieren, die beispielsweise einen Leistungstransistor nebst zugehöriger Ansteuerelektronik und Signalverarbeitung enthält.
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Das erfindungsgemäße Halbleiter-Schaltelement kann sehr kompakt gehalten werden und ermöglicht gleichzeitig eine gute thermische Anbindung der Verpolungs-Schutzdiode an die Umgebung. Damit ist eine kostengünstige, effektive und verpolungssichere Schaltungsanordnung realisierbar. Die Erfindung lässt sich insbesondere auf ”High-Side”-Schalter vorteilhaft anwenden. High-Side-Schalter zeichnen sich dadurch aus, dass sie zwischen einer Strom-/Spannungsversorgung und dem einen elektrischen Anschluss einer Last, deren anderer Anschluss sich auf einem Erd- bzw. Massepotenzial befindet, liegen.
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Um die Abmessungen der Schaltungsanordnung weiter zu reduzieren, kann die Freilaufdiode auf/unter dem Halbleiter-Schaltelement angebracht werden. Beispielsweise lässt sich die Freilaufdiode in Form einer Chip-on-Chip-Anordnung auf einer Source-Zone der Schaltungsanordnung anbringen. Da in den meisten Applikationen der Stromfluss durch die Freilaufdiode, verglichen zum Stromfluss durch das Halbleiter-Schaltelement, nur über einen kurzen Zeitraum hinweg erfolgt (beispielsweise wird bei einer Schaltungsanordnung für Fensterheber das Halbleiter-Schaltelement während des Anhebens des Fensters (Halbleiter-Schaltelement geschlossen) wesentlich länger belastet als die Freilaufdiode nach Öffnen des Halbleiter-Schaltelements), ist es zum Abführen der in der Freilaufdiode erzeugten Verlustwärme ausreichend, die Freilaufdiode im Vergleich zu dem darunter/darüber liegenden Halbleiter-Schaltelement sehr kompakt zu bemessen.
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Das Halbleiter-Schaltelement kann eine beliebige Ausgestaltung aufweisen, also beispielsweise in Form eines MOS-Leistungstransistors mit planaren Zellen oder auch Trench-Zellen realisiert sein. Die Driftzone eines solchen MOS-Leistungstransistors kann dabei als homogen dotiertes Gebiet bzw. schichtweise homogen dotiertes Gebiet oder als teilweise bzw. vollständig kompensiertes Gebiet mit alternierenden n- und p-dotierten Säulen ausgeführt werden.
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Das Halbleiter-Schaltelement ist vorzugsweise als Transistor mit vertikalem Aufbau ausgestaltet. In diesem Fall weist das Halbleiter-Schaltelement einen Vorderseitenkontakt, einen Rückseitenkontakt und ein dazwischen angeordnetes Halbleitervolumen auf, wobei sich der zusätzliche pn-Übergang innerhalb des Halbleitervolumens vorzugsweise nahe des Rückseitenkontakts befindet.
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Beispielsweise kann das Halbleiter-Schaltelement als MOSFET, insbesondere als n-Kanal bzw. p-Kanal-MOSFET mit Sourcezonen eines ersten Leitungstyps, Bodyzonen eines zweiten Leitungstyps, und wenigstens einer Drift-/Drainzone des ersten Leitungstyps realisiert sein, wobei die Sourcezonen, Bodyzonen und die Drift-/Drainzonen auf einem Substrat des ersten Leitungstyps aufgebracht sind, und die Verpolungs-Schutzdiode in Form einer zusätzlichen Halbleiterzone vom zweiten Leitungstyp, die zwischen dem Substrat und dem Rückseitenkontakt vorgesehen ist, realisiert ist. Eine derartige Halbleiter-Schichtstruktur ist von IGBTs bekannt. Im Gegensatz zu diesen Bauelementen werden erfindungsgemäß die Dicken bzw. Dotierstoffkonzentrationen des Substrats und der zusätzlichen Halbleiterzone vorteilhafterweise so gewählt, dass eine Injektion von Ladungsträgern in das Substrat bzw. in das Drift-/Draingebiet verhindert werden kann. Auf diese Weise kann einer zusätzlichen Abschaltverzögerung und zusätzlichen Abschaltverlusten des Halbleiter-Schaltelements entgegengewirkt werden. Allgemein ist zur Verhinderung einer oben beschriebenen Ladungsträger-Injektion eine entsprechend hohe Dotierung des Substrats vorteilhaft. Außerdem sollte die Dicke des Substrats deutlich größer sein als beispielsweise die Dicke von Pufferschichten bei bekannten PT-IGBTs (Punch Through-IGBT), die sich normalerweise in der Größenordnung von einigen μm bis wenigen 10 μm bewegt. Bevorzugte Substratdicken liegen zwischen etwa 40 μm und 200 μm. Beispielsweise kann bei einer Substratdicke von 100 μm eine Substrat-Dotierstoffdosis von etwa 8 × 1016/cm2 verwendet werden, wobei schon alleine eine derartige Dosiswahl eine weitreichende Injektion von Ladungsträgern in das Substrat verhindern sollte. Die Dotierstoffdosis der zusätzlichen Halbleiterzone wird in diesem Beispiel auf etwa 6 × 1019/cm2 gesetzt. Eine Injektion von Ladungsträgern kann vernachlässigt werden, wenn die Dotierstoffdosis des Emitters kleiner ist als die des Gebiets, in welches die Ladungsträger injiziert werden. Wenn die Verpolungsschutzdiode als Schottky-Diode ausgeführt ist, kann man die Injektion von Ladungsträgern vollständig vernachlässigen bzw. ausschließen.
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Weiterhin ist es möglich, die Ladungsträger-Lebensdauer lokal zu begrenzen bzw. abzusenken. Bei sehr langsam abschaltenden Schaltungs-Applikationen kann eine Ladungsträger-Injektion durch den rückseitigen pn-Übergang je nach Applikation auch toleriert werden.
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Da eine hohe Dotierung des Substrats bzw. der zusätzlichen Halbleiterzone des zweiten Leitungstyps eine Reduzierung der Sperrfähigkeit desselben bewirkt, ist es vorteilhaft, zur Sicherstellung der geforderten Rückwärts-Sperrfähigkeit des Halbleiter-Schaltelements im unteren, der zusätzlichen Halbleiterzone zugewandten Teil des Substrats/im oberen, dem Substrat zugewandten Teil der zusätzlichen Halbleiterzone wenigstens ein dotiertes bzw. intrinsisches Gebiet vorzusehen, dessen Dotierung geringer ist als die des Rests des Substrats/der zusätzlichen Halbleiterzone. Diese Gebiete können durch Einführen von zusätzlichem Dotierstoff vom zweiten/ersten Leitungstyp (Gegendotierung) erzeugt werden. Der zusätzliche Dotierstoff kann die hohe Dotierung des Substrats/der zusätzlichen Halbleiterzone entweder teilweise kompensieren oder leicht überdotieren. In beiden Fällen reduziert sich die elektrisch wirksame Netto-Dotierung, die Sperrfähigkeit des zusätzlichen pn-Übergangs wird insgesamt verbessert. Vorteilhafterweise wird zur Reduzierung des Kontaktwiderstands im unteren, dem Rückseitenkontakt des Halbleiter-Schaltelements zugewandten Teil der zusätzlichen Halbleiterzone ein dotiertes Gebiet (vorzugsweise mit Dotierstoff des zweiten Leitungstyps) vorgesehen, dessen Dotierung höher ist als die des Rests der zusätzlichen Halbleiterzone. Im Fall einer als Schottky-Diode ausgeführten Verpolungsschutzdiode muss der rückwärtige Teil des Substrats eine hinreichend niedrige effektive n-Dotierung aufweisen, um die nötige Sperrfähigkeit in Verbindung mit dem gewählten, den Schottky-Kontakt bildenden Metall auf der Rückseite zu erreichen.
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Optional kann auf/unter dem Halbleiter-Schaltelement bzw. auf der Freilaufdiode ein Halbleiterelement bzw. eine Halbleiter-Schaltungsanordnung zur Steuerung des Halbleiter-Schaltelements vorgesehen sein.
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Die Verpolungs-Schutzdiode bzw. die Freilaufdiode können beispielsweise pn- bzw. pin-Dioden, Schottky-Dioden oder SiC-Dioden sein. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
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Die Erfindung stellt weiterhin ein Halbleiter-Schaltelement bereit, das einen Vorderseitenkontakt, einen Rückseitenkontakt, und ein zwischen Vorderseitenkontakt und Rückseitenkontakt vorgesehenes Halbleitervolumen aufweist. Das Halbleiter-Schaltelement zeichnet sich durch eine Verpolungs-Schutzdiode aus, die in Form eines zusätzlichen pn-Übergangs oder in Form eines zusätzlichen Schottky-Kontakts in der Nähe des Rückseitenkontakts vorgesehen ist.
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Vorteilhafterweise ist auf/unter dem Halbleiter-Schaltelement eine Freilaufdiode angebracht.
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Wie bereits erwähnt, kann das Halbleiter-Schaltelement beliebig ausgestaltet sein, also beispielsweise in Form eines Schaltelements mit planarem Aufbau, Trenchaufbau, CoolMOS-Aufbau bzw. eines Schaltelements mit einer Kombination derartiger Aufbauten realisiert sein.
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Das Halbleiter-Schaltelement ist vorzugsweise als n- bzw. p-Kanal-MOSFET realisiert, dessen Halbleitervolumen Sourcezonen eines ersten Leitungstyps, Bodyzonen eines zweiten Leitungstyps, und wenigstens eine Drift-/Drainzone des ersten Leitungstyps aufweist, wobei die Sourcezonen, Bodyzonen und die Drift-/Drainzonen auf einem Substrat des ersten Leitungstyps aufgebracht sind, und die Verpolungs-Schutzdiode in Form einer zusätzlichen Halbleiterzone vom zweiten Leitungstyp, die zwischen dem Substrat und dem Rückseitenkontakt vorgesehen ist, realisiert ist.
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Die dotierten beziehungsweise intrinsischen Gebiete des Substrats/der zusätzlichen Halbleiterzone können beispielsweise durch Implantationsprozesse oder durch epitaktische Abscheideprozesse erzeugt werden.
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Im unteren, dem Rückseitenkontakt des Halbleiter-Schaltelements zugewandten Teil der zusätzlichen Halbleiterzone kann vorteilhafterweise ein dotiertes Gebiet vorgesehen sein, dessen Dotierung höher ist als die des Rests der zusätzlichen Halbleiterzone, um den Kontaktwiderstand zu reduzieren. Dieses Gebiet kann bezogen auf die Gesamtdicke der zusätzlichen Halbleiterzone eine relativ geringe Eindringtiefe besitzen.
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Auf oder unter dem Halbleiter-Schaltelement bzw. auf der Freilaufdiode kann ein Halbleiterelement bzw. eine Halbleiter-Schaltanordnung zur Steuerung des Halbleiter-Schaltelements vorgesehen sein, beispielsweise ein Temperatursensor, der das Halbleiter-Schaltelement im Falle einer zu hohen Temperatur innerhalb des Halbleiter-Schaltelements abschaltet.
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Die weiter oben getätigten Aussagen bezüglich der Ausgestaltung des in die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung integrierten Halbleiter-Schaltelements gelten hier analog.
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Alle oben getätigten Aussagen bezüglich der Ausgestaltung/Dotierung des zusätzlichen pn-Übergangs (zusätzliche Halbleiterschicht) gelten analog auch für andere Schaltelement-Aufbauten, beispielsweise Trench-Schatlemente, CoolMOS-Schaltelemente, etc, die hier nicht explizit diskutiert werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik, die nicht verpolungssicher ist;
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2 eine verpolungssichere Schaltungsanordnung mit einem erfindungsgemäßen Halbleiter-Schaltelement;
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3a eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Schaltelements mit zusätzlichem pn-Übergang in Querschnittsdarstellung;
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3b eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Schaltelements mit zusätzlichem Schottky-Kontakt in Querschnittsdarstellung;
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4 eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Schaltelements mit darauf angeordneter Freilaufdiode in Querschnittsdarstellung;
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5 Simulationsergebnisse bezüglich einer Erwärmung der in das erfindungsgemäße Halbleiter-Schaltelement integrierten Verpolungs-Schutzdiode;
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6 Dotierstoffkonzentrations-Beispielprofil für eine (teilweise) gegendotierte Struktur in einem erfindungsgemäßen Halbleiter-Schaltelement.
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In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bauteile bzw. Bauteilgruppen mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet.
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Auf die in 1 gezeigte Schaltungsanordnung wurde bereits in der Beschreibungseinleitung eingegeben, deshalb wird diese hier nicht nochmals erläutert.
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Die in 2 gezeigte Schaltungsanordnung 1' unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung 1 lediglich dadurch, dass in das Halbleiter-Schaltelement 5' eine Verpolungs-Schutzdiode 7 integriert ist.
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Im Folgenden soll nun unter Bezugnahme auf 3a eine bevorzugte Ausführungsform des in 2 gezeigten Halbleiter-Schaltelements 5' näher erläutert werden.
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Ein Halbleiter-Schaltelement 5' (hier ein MOSFET) weist einen Vorderseitenkontakt 11, einen Rückseitenkontakt 12 und ein zwischen Vorder- und Rückseitenkontakt 11, 12 angeordnetes Halbleitervolumen 13 auf. Das Halbleitervolumen weist eine erste p-dotierte Halbleiterschicht 14, eine darauf angeordnete n+-dotierte zweite Halbleiterschicht 15, und eine auf der zweiten Halbleiterschicht 15 angeordnete n–-dotierte dritte Halbleiterschicht 16 (evtl. auch Säulenstruktur) auf. Die zweite Halbleiterschicht 15 stellt hierbei das Trägersubstrat, und die dritte Halbleiterschicht 16 ein Driftgebiet dar, wohingegen der durch die erste Halbleiterschicht 14 und die zweite Halbleiterschicht 15 definierte pn-Übergang die Verpolungs-Schutzdiode bildet. In der dritten Halbleiterschicht 16 sind mehrere p-dotierte Körpergebiete 17 sowie n+-dotierte Sourcegebiete 18 vorgesehen. Der Einfachheit halber ist hier nur eine Zelle des Halbleiter-Schaltelements gezeigt. Anstelle der gezeigten planaren Zelle kann selbstverständlich auch eine andere Zellgeometrie, wie zum Beispiel eine Trenchzelle verwendet werden.
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Über Gates 19, die gegenüber dem Halbleitervolumen 13 durch eine Isolierschicht 28 elektrisch isoliert sind und die gegenüber einer Aluminium-Kontaktierung durch eine Isolierschicht 20 elektrisch isoliert sind, werden in dem Körpergebiet 17 Kanäle induziert. Das Körpergebiet 17 wird mittels der Aluminium-Metallisierung 21 kontaktiert, und die Aluminium-Metallisierung 21 steht wiederum mit dem Vorderseitenkontakt 11 in Verbindung.
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Das erfindungsgemäße Halbleiter-Schaltelement 5' unterscheidet sich von einem herkömmlichen MOSFET zum einen dadurch, dass zwischen der zweiten Halbleiterschicht 15 (Substrat) und dem Rückseitenkontakt 12 eine zusätzliche Halbleiterschicht (erste Halbleiterschicht 14) eingefügt ist, die mit der zweiten Halbleiterschicht 15 einen pn-Übergang ausbilden, der bei Rückwärtsbelastung des Halbleiter-Schaltelements 5' sperrt. Im Fall einer Schottky-Diode als Verpolungsschutzdiode ist die Dotierung des rückwärtigen Teils des Substrats 15 reduziert. Durch geeignete Wahl eines Rückseitenmetalls des Rückseitenkontakts 12 wird eine Schottky-Diode zur Erreichung der Rückwärts-Sperrfähigkeit gebildet, wobei in diesem Fall die zusätzliche Halbleiterschicht 4 weggelassen werden kann. Alternativ kann die erste Halbleiterschicht 14 auch mit Dotierstoff des ersten Leitungstyps (derselbe Leitungstyp wie der der Sourcegebiete 18) mit entsprechend niedriger Konzentration ausgebildet werden.
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Das erfindungsgemäße Halbleiter-Schaltelement 5' weist den Vorteil auf, dass die durch die zusätzliche Halbleiterschicht (erste Halbleiterschicht 14) verursachten Durchlassverluste gering sind. In herkömmlichen Lösungen, in denen die Verpolungs-Schutzdiode in einer Chip-on-Chip-Montage auf/unter dem Halbleiter-Schaltelement vorgesehen ist, ist in der Regel ein ”zusätzliches” Substrat notwendig, auf dem die epitaktische Schicht zur Aufnahme der Raumladungszone der Verpolungs-Schutzdiode angeordnet ist. Verglichen mit der ersten Halbleiterschicht 14 weist das zusätzliche Substrat jedoch relativ hohe Durchlassverluste auf, was unerwünscht ist.
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Die in 3b gezeigte Ausführungsform eines Halbleiter-Schaltelements 5' weist anstelle eines zusätzlichen pn-Übergangs einen zusätzlichen Schottky-Kontakt auf, der zwischen der n-dotierten Halbleiterschicht 14 und dem Metall des Rückseitenkontakts 12 ausgebildet wird. Bei entsprechender Dotierung der zweiten Halbleiterschicht 15 (niedrige Dotierung) kann die Halbleiterschicht 14 auch weggelassen werden. Wie in 3b symbolisiert ist, ist damit am drainseitigen Ende des Halbleiter-Schaltelements 5' eine Schottky-Diode ausgebildet, die bei Rückwärtsbelastung des Halbleiter-Schaltelements 5' sperrt.
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Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Schaltungsanordnung mit einem Schalttransistor und einer diskreten externen Diode bietet die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung also den Vorteil, dass lediglich in einer, von Schalttransistor und Verpol-Schutzdiode gemeinsam genutzten Trägerschicht (der zweiten Halbleiterschicht (dem Substrat) 15) ein ohmscher Spannungsabfall anfällt, was die Gesamtverluste der Schaltungsanordnung wirksam reduziert.
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Der Verpolungsschutz muss nicht die volle Vorwärts-Sperrfähigkeit des Halbleiter-Schaltelements erreichen, sondern lediglich etwas mehr als die Maximalspannung der Spannungsquelle. Ein Einschalten des Halbleiter-Schaltelements bei anliegender Rückwärtsbelastung bleibt ohne Folgen, da wegen der zusätzlichen Verpolungsschutzdiode kein hoher Stromfluss möglich ist und somit keine Spannungsspitzen durch Schaltvorgänge auftreten können. Ein leicht erhöhter Sperrstrom ist so lange tolerierbar, solange die thermische Belastung des Schalters durch den Sperrstrom und die anliegende Spannung der Spannungsquelle gering bleibt.
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Das in 4 gezeigte Halbleiter-Schaltelement 5' (hier sind im Gegensatz zu 3 mehrere Zellen gezeigt) unterscheidet sich von dem in 3 gezeigten Halbleiter-Schaltelement 5' dadurch, dass auf dem Vorderseitenkontakt 11 des Halbleiter-Schaltelements 5' eine Freilaufdiode 6 angeordnet ist. Die Freilaufdiode 6 weist eine p-dotierte Halbleiterschicht 22 und eine n-dotierte Halbleiterschicht 23, sowie einen Vorderseitenkontakt 24 und einen Rückseitenkontakt 25 auf. Der Rückseitenkontakt 25 ist mit dem Voderseitenkontakt 11 des darunter liegenden Schaltelements über eine leitfähige Schicht (z. B. Kleber oder Lot) 26 elektrisch verbunden. In dieser Ausführungsform ist zusätzlich auf der Freilaufdiode 6 ein optionaler Steuerchip (27/Top Chip) zur Ansteuerung des Halbleiter-Schaltelements 5' vorgesehen. Mit Hilfe eines derartigen Steuerchips 27 kann das Halbleiter-Schaltelements 5' ”intelligent” ausgestaltet werden. Beispielsweise kann der Steuerchip 27 eine Temperatur-Schutzschaltung oder Überstrom-Schutzschaltung aufweisen. Anstatt der gezeigten pn-Freilaufdiode kann wie oben erwähnt selbstverständlich auch eine pin-, Schottky- oder SiC-Diode verwendet werden.
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Sobald die Sperrfähigkeit des durch die Halbleiterschichten 14 und 15 gebildeten pn-Übergangs geringer ist als die treibende Spannung der Spannungsquelle 4, sollte zwischen den Halbleiterschichten 14 und 15 die Nettodotierung abgesenkt werden, um eine hinreichend weite Raumladungszone und damit Spannungsfestigkeit zu erreichen.
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In 6 ist ein Beispiel-Profil für eine (teilweise) gegendotierte Schichtfolge zwischen den Schichten 14 und 15 zur Herstellung/Verbesserung der erforderlichen Rückwärts-Sperrfähigkeit gezeigt, die durch zwei nacheinander folgende Ionenimplantationen mit unterschiedlicher Energie und Dosis mit einem dazwischen liegenden Temperaturschritt hergestellt werden kann. Dabei wurde eine mit Arsen grunddotierte Schicht mit Bor gegendotiert. Der Gegendotierungsprozess kann gegebenenfalls auch mehrfache p-Implantationsschritte mit unterschiedlicher Energie und angepasster Dosis beinhalten. Die Weite des gegendotierten Gebiets hängt in erster Linie von der geforderten Rückwärts-Sperrfähigkeit des Halbleiter-Schaltelements ab. Bei Polung der Strom-/Spannungsversorgung in Vorwärts(Durchlass)-Richtung wird das gegendotierte Gebiet mit Ladungsträgern überschwemmt und hat daher nur einen kleinen Bahnwiderstand.
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Das in 6 gezeigte Beispiel-Profil weist eine aus As-dotiertem Grundmaterial bestehende hochdotierte n-Schicht mit einem spezifischen Widerstand von 7 mΩ cm auf, wie heute bei Niedervolt-Schalttransistoren üblich ist. Es ist für die Sperrfähigkeit unerheblich, ob die teilkompensierte Schicht (die gegendotierte Struktur) n- oder p-Leitfähigkeit aufweist. Nachdem im Grundmaterial mit einer Schwankung der Dotierung gerechnet werden muss, ist eine Auslegung der Gegendotierung sinnvollerweise so vorzunehmen, dass sowohl bei minimaler als auch bei maximaler Dotierung des Grundmaterials die geforderte Rückwärtssperrfähigkeit des Bauteils noch erreicht wird. Dies bedeutet, dass je nach Prozess-Schwankung die niedrig dotierte Schicht n-leitend, p-leitend oder intrinsisch sein kann bzw. ihre Nettodotierung in der teilkompensierten Zone wechselt. Vorteilhafterweise wird zur Reduzierung des Kontaktwiderstands im unteren, dem Rückseitenkontakt des Halbleiter-Schaltelements zugewandten Teil der zusätzlichen Halbleiterzone ein dotiertes Gebiet (vorzugsweise mit Dotierstoff des zweiten Leitungstyps) vorgesehen, dessen Dotierung höher ist als die des Rests der zusätzlichen Halbleiterzone. Dabei kann dieses Gebiet bezogen auf die Gesamtdicke der zusätzlichen Halbleiterzone eine relativ geringe Eindringtiefe besitzen.
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Um die Problematik schwankender Dotierstoffkonzentrationen des Substrats zu umgehen, werden vorzugsweise Substrate verwendet, die bis zur Sättigungsgrenze dotiert sind. Auf diese Weise kann mit definierten Dotierstoffkonzentrationen gerechnet werden.
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Die in Niedervolttransistoren verwendeten hochdotierten Substrate weisen große Toleranzen in der Dotierstoffdosis auf. Um die Sperrfähigkeit des erfindungsgemäßen rückwärtigen pn-Übergangs sicherzustellen, kann beispielsweise ein Grundmaterial mit engeren Toleranzbereichen verwendet werden. Hier bietet sich zum Beispiel Si-dotiertes Material an, das bis zur Sättigungsgrenze dotiert ist und somit geringere Toleranzen aufweist. Alternativ kann auf die Unterseite des Substrats auch eine dünne epitaktische Si-Schicht mit üblicher Dotierstoffschwankung von beispielsweise ±15% abgeschieden werden, die die Raumladungszone im Sperrfall aufnimmt. Die Abscheidung der epitaktischen Si-Schicht muss bei relativ niedrigen Temperaturen erfolgen, da die Vorderseite und die Zelle (mit Ausnahme der Metallisierung) bereits fertig gestellt sind. Zur Realisierung der Erfindung werden jedoch nur dünne epitaktische Schichten im Bereich von etwa 1 μm bis 2 μm benötigt, so dass die Einschränkung auf niedrige Temperaturbereiche nicht störend ist. Da die Schicht 14 hier ebenfalls als epitaktische Schicht ausgeführt werden kann, kann sie noch deutlich niedriger dotiert werden als bei direkter Implantation im Substrat. Eine Injektion in das n+-Substrat kann hier somit vollständig ausgeschlossen werden. Vorteilhafterweise wird zur Reduzierung des Kontaktwiderstands noch ein höherdotiertes Gebiet des zweiten Leitungstyps (derselbe Leitungstyp wie die Bodyzonen 17), das eine sehr geringe Eindringtiefe aufweisen sollte, in die Si-Schicht eingebracht. Wenn die Verpolungsschutzdiode als Schottky-Diode/Schottky-Kontakt ausgeführt ist, kann man die Injektion von Ladungsträgern vollständig vernachlässigen bzw. ausschließen. In diesem Fall wird die epitaktisch abgeschiedene Schicht sinnvollerweise mit einem Dotierstoff des ersten Leitungstyps (derselbe Leitungstyp wie die Sourcezonen 18) ausgebildet. Die Einbringung eines zusätzlichen Gebiets des zweiten Leitungstyps ist im Fall einer Schottky-Diode nicht erforderlich.
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Im folgenden Abschnitt soll ein Anwendungsbeispiel der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum Anheben oder Absenken von Fensterscheiben mittels Motoren, gegeben werden. Hierbei handelt es sich um einen Fensterhebermotor mit dem folgenden Lastprofil: Laststrom 18,6 A für 3 Sekunden und 42,6 A für eine Sekunde. Das Halbleiter-Schaltelement (hier ein MOSFET) muss in diesem Beispiel 40.000 Lastzyklen aushalten. Bei Anwendung des ”Coffin-Manson”-Modells ergab die Simulation einen maximal zulässigen Temperaturhub von 80 K. Der Verlustleistungsimpuls der Rückwärtssperrdiode wurde bei der Sabersimulation in das thermische Modell des verwendeten MOSFET eingespeist. In der Simulation wurde von einer Diode mit Fon = 0,8 V und einer Leitfähigkeit von 66 S ausgegangen. Ein Verlustimpulseinspeisepunkt lag nahe der Chiprückseite des MOSFET. Die Simulation zeigt (siehe 5), dass sich bei dieser Anwendung eine Temperaturerhöhung von 80 K ergibt und somit die in dieser Anwendung geforderte Lebensdauer erreicht werden kann.
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Sämtliche beschriebenen Ausführungsformen können auch invers dotiert sein, das heißt p- und n-Gebiete können miteinander vertauscht werden.