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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines lateralen HEMTs.
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Laterale High-electron-mobility Transistoren HEMT werden durch Abscheiden von beispielsweise AlGaN/GaN oder InGaN/GaN oder AlN/GaN-Heterostrukturen auf Substraten wie Saphir, SiC oder Si abgeschieden. Dabei führt das Abscheiden von GaN auf Si aufgrund der großen Gitterfehlanpassung zwischen Si und GaN zu einer hohen Belastung in der aufgewachsenen GaN-Schicht. Des Weiteren wird Silizium bei den für das Wachsen von GaN typischen Temperaturen, üblicherweise im Bereich von 1000 bis 1200°C, mechanisch instabil. Um diese Belastungen zu verringern wird zur Herstellung solcher HEMT-Transistoren dotiertes Si mit einer kubisch-flächenzentrierten Gitterstruktur, die eine {111}-Ebene aufweist, für das Abscheiden von GaN verwendet. Nachteilig ist hierbei, dass hohe Substratleckströme auftreten. Des Weiteren ist es nachteilig, dass die Durchbruchspannung solcher HEMT-Transistoren die thermische Kopplung des Bauelements begrenzt, wodurch die Entwärmung begrenzt wird. Zur Verbesserung der Entwärmung des Transistors beschreibt die Schrift
DE 10 2013 211 374 A1 die Verwendung einer Isolationsschicht und einer Rückseitenmetallisierung. Allerdings ist die Entwärmung weiterhin durch die Dicke der Isolationsschicht begrenzt.
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Es ist bekannt die Durchbruchspannung durch lokales Entfernen des Substrates unterhalb des aktiven Transistorbereichs zu erhöhen und die Substratleckströme zu eliminieren. Nachteilig ist hierbei die schlechtere thermische Ankopplung der Rückseite des Halbleiters an beispielsweise eine Platine oder ein Board, da das teilweise entfernte Substrat zwischen der wärmeleitenden Ankopplung und dem Halbleiter angeordnet ist, wodurch das Bauelement schlechter entwärmt wird.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Durchbrucheigenschaften und die Entwärmung des Transistors zu verbessern.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Vorrichtung umfasst einen lateralen HEMT, der mindestens eine Pufferschicht umfasst auf der eine weitere Halbleiterschicht angeordnet ist. Auf der Halbleiterschicht sind eine erste Elektrode, eine Gate-Elektrode und eine zweite Elektrode angeordnet. Erfindungsgemäß ist unterhalb der Pufferschicht eine erste Feldplatte angeordnet, wobei die erste Feldplatte zumindest teilweise unmittelbar an die Pufferschicht angrenzt.
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Der Vorteil ist hierbei, dass sich die Sperr- und Schalteigenschaften des Transistors verbessern, wodurch die Durchbruchspannung des Transistors erhöht wird.
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In einer Weiterbildung weist die erste Feldplatte mindestens eine Stufe auf, wobei die Stufe im Wesentlichen senkrecht zur Pufferschicht angeordnet ist.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass die erste Feldplatte von der zweiten Elektrode, der sogenannten Drain-Elektrode isoliert, so dass eine hohe Sperrspannung erreicht werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Stufe unterhalb der Gate-Elektrode angeordnet.
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In einer Weiterbildung ist die Stufe unterhalb eines Fußpunktes der Gate-Elektrode angeordnet, wobei der Fußpunkt an einer Seite der Gate-Elektrode angeordnet ist, die der zweiten Elektrode zugewandt ist.
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Der Vorteil ist hierbei, dass ein Verhältnis zwischen der Kontaktlänge der ersten Feldplatte zur Pufferschicht und der Länge der Isolation einstellbar ist, sodass ein Optimum zwischen einer hohen Wärmeableitung und eine hohe Sperrfähigkeit erreicht wird.
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In einer Weiterbildung repräsentiert die erste Elektrode eine Source-Elektrode und die zweite Elektrode eine Drain-Elektrode.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist unterhalb der Pufferschicht eine erste Isolationsschicht angeordnet, wobei die erste Isolationsschicht zumindest teilweise unmittelbar an Pufferschicht angrenzt.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass die Entwärmung des HEMTs verbessert wird.
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In einer Weiterbildung weist die erste Isolationsschicht eine laterale Länge auf, die sich mindestens von der Gate-Elektrode, insbesondere vom Fußpunkt der Gate-Elektrode, bis zur zweiten Elektrode erstreckt.
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Der Vorteil ist hierbei, dass der dynamische On-Widerstand gering ist, da sich die erste Feldplatte in räumlicher Nähe zur zweiten Elektrode befindet, was die elektrischen Felder dazwischen beeinflusst. Unter dem Begriff On-Widerstand wird hierbei der Widerstand zwischen Source und Drain verstanden, der im Fall des dynamischen An- und Ausschaltens des HEMTs erzeugt wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die erste Isolationsschicht dazu eingerichtet, die erste Feldplatte zu strukturieren. Dabei ist die erste Feldplatte teilweise unterhalb der ersten Isolationsschicht angeordnet und grenzt teilweise unmittelbar an die erste Isolationsschicht an.
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Der Vorteil ist hierbei, dass sich Feldspitzen, die sich innerhalb des Bauelements bilden in die Isolationsschicht verlagern, sodass die Feldspitzen innerhalb der Isolationsschicht abgebaut werden können und sich somit die Leistungsfähigkeit bzw. die Zuverlässigkeit des Bauelements nicht verschlechtert. Dadurch wird im Extremfall die Zerstörung des Bauelements verhindert.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist ein strukturiertes dotiertes Halbleitersubstrat zumindest teilweise unterhalb der Pufferschicht angeordnet. Das strukturierte dotierte Halbleitersubstrat grenzt dabei unmittelbar an die Pufferschicht an.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass die Leckströme innerhalb des HEMTs reduziert werden.
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In einer Weiterbildung ist eine erste Via zwischen der ersten Elektrode und der ersten Feldplatte angeordnet. Unter dem Begriff Via wird eine vertikale elektrische Verbindung verstanden. Die erste Via verbindet dabei die erste Elektrode und die erste Feldplatte elektrisch.
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Der Vorteil ist hierbei, dass die erste Elektrode und die erste Feldplatte das gleiche Potential aufweisen. Dadurch können geladene Fehlstellen, die durch elektrische Belastung bei hohen Sperrspannungen erzeugt werden, bei Schaltvorgängen schneller entladen werden. Somit ist ein effizientes Schalten des HEMTs möglich, da der Schaltvorgang schnell vonstattengeht. Des Weiteren wird die elektrische Feldverteilung, insbesondere auf der Feldplatte, gezielt variiert, sodass die dynamische Leistungsfähigkeit des Bauelements verbessert wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Gate-Elektrode eine zweite Feldplatte, wobei die zweite Feldplatte unmittelbar auf der Gate-Elektrode angeordnet ist und sich lateral mindestens in Richtung der ersten Elektrode erstreckt.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass die Feldverteilung im aktiven Transistorbereich reguliert werden kann. Durch die Strukturierung der ersten Isolationsschicht kann der Abstand der Feldplatte zur Drainseite und der Abstand zum Pufferschicht variable eingestellt werden, sodass die elektrische Feldverteilung im Bauelement gezielt gesteuert werden. Dabei verschiebt sich die maximale elektrische Feldstärke an die Feldplattenkante innerhalb der Isolationsschicht.
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In einer Weiterbildung ist eine Rückseitenelektrode unterhalb der Pufferschicht in einem vertikalen Abstand zur Pufferschicht innerhalb der Isolationsschicht angeordnet. Eine zweite Via verbindet dabei die Rückseitenelektrode mit der zweiten Feldplatte elektrisch, so dass sich eine Rückseitenkavität bildet.
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Der Vorteil ist hierbei, dass die Gatespannung bzw. die Gate-Source-Spannung bei der der Transistor vom sperrenden in den leitenden Zustand bzw. umgekehrt wechselt, die sogenannte Einsatzspannung, eingestellt werden kann. Dadurch lassen sich zum Beispiel sowohl selbstleitende, sogenannte normally-on-Bauelemente, als auch selbstsperrende, sogenannte normally-off-Bauelemente betreiben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines lateralen HEMTs, der mindestens eine Pufferschicht aufweist auf der eine weitere Halbleiterschicht angeordnet ist, wobei auf der weiteren Halbleiterschicht eine erste Elektrode, eine Gate-Elektrode und eine zweite Elektrode angeordnet sind und die Pufferschicht auf einer Vorderseite eines dotierten Halbleitersubstrats angeordnet ist, wobei das dotierte Halbleitersubstrat eine Rückseite aufweist, die der Vorderseite gegenüber liegt, umfasst mindestens ein teilweises Entfernen des dotierten Halbleitersubstrats durch Prozessierung bzw. Ätzen der Rückseite des dotierten Halbleitersubstrats. Des Weiteren umfasst das Verfahren ein strukturiertes Aufbringen einer ersten Isolationsschicht unterhalb der Pufferschicht, so dass die erste Isolationsschicht eine laterale Länge aufweist, die sich mindestens zwischen einem Fußpunkt der Gate-Elektrode und der zweiten Elektrode erstreckt. Das Verfahren umfasst des Weiteren das Erzeugen einer ersten Metallschicht unterhalb der Pufferschicht und der ersten Isolationsschicht, so dass eine erste Feldplatte gebildet wird.
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Der Vorteil ist hierbei, dass der Transistor eine hohe Durchbruchspannung aufweist.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung,
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2 eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung,
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3 eine dritte erfindungsgemäße Vorrichtung,
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4 eine vierte erfindungsgemäße Vorrichtung, und
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5 ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung 100 mit einem lateralen HEMT. Der laterale HEMT weist dabei eine Pufferschicht 101 auf, die ein erstes Halbleitermaterial aufweist. Auf der Pufferschicht 101 ist eine weitere Halbleiterschicht 102 angeordnet, die ein zweites Halbleitermaterial aufweist, wobei das zweite Halbleitermaterial eine andere Elektronenbeweglichkeit aufweist als das erste Halbleitermaterial. Mit anderen Worten, es bildet sich eine Heterostruktur, da das erste Halbleitermaterial und das zweite Halbleitermaterial verschieden sind. Auf der weiteren Halbleiterschicht 102 ist eine erste Elektrode 103, eine Gate-Elektrode 104, und eine zweite Elektrode 105 angeordnet. Optional ist auf der weiteren Halbleiterschicht 102 ein Gate-Dielektrikum 107 angeordnet. Auf der ersten Elektrode 103, der Gate-Elektrode 104 und der zweiten Elektrode 105 ist eine isolierende Schutzschicht angeordnet, die die Elektroden 103, 104 und 105 vor mechanischen Einflüssen schützt. Unterhalb der Pufferschicht 101 ist eine erste Feldplatte 109 angeordnet. Diese Feldplatte wird durch eine erste Isolationsschicht 108 geformt.
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2 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung 200 mit einem lateralen HEMT. Dabei stellen die hinteren Stellen der Bezugszeichen, die identisch sind mit den hinteren Stellen der Bezugszeichen aus 1 die gleichen Merkmale dar. Unterhalb der Pufferschicht 201 sind eine Feldplatte 209, strukturierte Bereiche eines dotierten Siliziumsubstrats 210 und eine erste Isolationsschicht 208 angeordnet. Dabei wird die Form der ersten Feldplatte 209 durch das strukturierte Siliziumsubstrat 210 und die erste Isolationsschicht 208 geformt.
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3 zeigt eine dritte erfindungsgemäße Vorrichtung 300 mit einem lateralen HEMT. Dabei stellen die hinteren Stellen der Bezugszeichen, die identisch sind mit den hinteren Stellen der Bezugszeichen aus 1 und 2 die gleichen Merkmale dar. Unterhalb der Pufferschicht 301 ist eine erste Feldplatte 309 angeordnet. Eine Via 311 verbindet die erste Elektrode 303 und die erste Feldplatte 309 elektrisch.
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In einem Ausführungsbeispiel weisen die erste Feldplatte 109, 209 und 309 des lateralen HEMTs eine Stufe auf, die senkrecht zur Pufferschicht 101, 201 und 301 angeordnet ist. Diese Stufe 118, 218 und 318 ist im Wesentlichen senkrecht, das bedeutet Fertigungstoleranzen werden berücksichtigt.
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Optional ist die Stufe 118, 218 und 318 unterhalb der Gate-Elektrode 104, 204 und 304 angeordnet. Dabei ist ein Fußpunkt 116, 216 und 316 der Gate-Elektrode 104, 204 und 304 an einer Seite der Gate-Elektrode 104, 204 und 304 angeordnet, die der zweiten Elektrode 105, 205 und 305 zugewandt ist. In einem weiteren, optionalen Ausführungsbeispiel ist die Stufe 118, 218 und 318 an einem Fußpunkt der Gate-Elektrode 104, 204 und 304 angeordnet, der der ersten Elektrode 103, 203 und 303 zugewandt ist.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die erste Elektrode 103, 203 und 303 eine Source-Elektrode und die zweite Elektrode 105, 205 und 305 eine Drain-Elektrode.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die erste Isolationsschicht eine laterale Länge auf, die sich mindestens vom Fußpunkt 116, 216 und 316 der Gate-Elektrode 104, 204 und 304 bis zur zweiten Elektrode 105, 205 und 305 erstreckt. Das bedeutet, die erste Isolationsschicht 108, 208 und 308 kann auch die zweite Elektrode 105, 205 und 305 überdecken.
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Da das dotierte Halbleitersubstrat 210 zumindest teilweise unterhalb der Pufferschicht 101, 201 und 301 angeordnet ist, formt das dotierte Halbleitersubstrat 210 zuerst die erste Isolationsschicht 108, 208 und 308, wobei die erste Feldplatte 109, 209 und 309 dann zum Einen vom strukturierten dotierten Halbleitersubstrat 210 und von der ersten Isolationsschicht 108, 208 und 308 geformt wird.
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4 zeigt eine vierte erfindungsgemäße Vorrichtung 400 mit einem lateralen HEMT. Der laterale HEMT weist eine Pufferschicht 401 auf, auf der eine weitere Halbleiterschicht 402 angeordnet ist. Auf der weiteren Halbleiterschicht 402 ist eine erste Elektrode 403, eine Gate-Elektrode 404, und eine Drainelektrode 405 angeordnet. Optional ist auf der zweiten Schicht 402 ein Gate-Dielektrikum 407 angeordnet. Die Gate-Elektrode 404 weist eine zweite Feldplatte 412 auf, die sich von der Gate-Elektrode 404 lateral in Richtung der Source-Elektrode 403 erstreckt. Der laterale HEMT 400 weist dabei eine geteilte Source-Feldplatte auf, die durch eine Via 420 mit der Source-Elektrode 403 verbunden ist. Die geteilte Source-Feldplatte umfasst die Bereiche 421 und 422. Außerdem weist der laterale HEMT 400 eine Rückseitenelektrode 423 auf, die mit Hilfe einer zweiten Via 424 mit der zweiten Feldplatte 412 elektrisch verbunden ist. Sowohl die geteilte Source-Feldplatte als auch die Rückseitenelektrode 423 werden durch die erste Isolationsschicht 408 geformt.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Pufferschicht 101, 201, 301 und 401 GaN. Die weitere Halbleiterschicht 102, 202, 302 und 402 umfasst AlGaN oder InGaN oder AlN.
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Die erste Isolationsschicht 108, 208, 308 und 408 umfasst beispielsweise Siliziumoxid oder SiN.
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Die erste Feldplatte 109, 209 und 309 ist metallisch, wobei das Metall eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, die es ermöglicht optional die erste Feldplatte als zusätzliche Elektrode zu verwenden. Bei dem Metall handelt es sich beispielsweise um Kupfer, Aluminium, Titan, Nickel, Silber oder Gold. Die erste Feldplatte 109, 209 und 309 kann auch aus einem Stapel mehrerer Metalle aufgebaut sein. Bei dem Halbleitersubstrat 210 handelt es sich beispielsweise um dotiertes Si oder um SiC.
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5 zeigt ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung mit einem lateralen HEMT. Das Verfahren wird dabei auf der Rückseite des HEMTs, d. h. auf der von den Elektroden abgewandten Seite ausgeführt. Es handelt sich somit um einen Backsideprozess. Das Verfahren startet mit einem Schritt 1030, in dem das dotierte Halbleitersubstrat des lateralen HEMTs durch Prozessierung bzw. Ätzen der Rückseite des dotierten Halbleitersubstrats mindestens teilweise entfernt wird. In einem folgenden Schritt 1060 wird eine erste Isolationsschicht auf die Rückseite des dotierten Halbleitersubstrats aufgebracht und strukturiert, so dass die erste Isolationsschicht eine laterale Länge aufweist, die sich mindestens zwischen einem Fußpunkt der Gate-Elektrode und der zweiten Elektrode erstreckt.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel reicht die Isolationsschicht nicht ganz bis zur Gateelektrode.
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In einem folgenden Schritt 1070 wird eine erste Metallschicht auf die Pufferschicht und die erste Isolationsschicht aufgebracht und strukturiert, so dass eine erste Feldplatte gebildet wird.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der laterale HEMT in einem optionalen Schritt 1020 auf ein Fremdsubstrat, wie Glas, aufgebracht. Dieser Schritt erfolgt vor dem Schritt 1030. Dabei wird die Vorderseite des HEMTs, d. h. die Seite mit den Elektroden, die durch eine Schutzschicht geschützt ist, auf das Fremdsubstrat aufgebracht. Dies erleichtert das Prozessieren des lateralen HEMTs. Optional kann das Fremdsubstrat am Ende des Herstellungsverfahrens in Schritt 1150 entfernt werden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird zwischen dem Schritt 1030 und 1060 ein weiterer Schritt ausgeführt. Dabei folgt der Schritt 1040 unmittelbar auf den Schritt 1030, wobei im Schritt 1040 die Heterostruktur aus Pufferschicht und weiterer Halbleiterschicht im Bereich der ersten Elektrode mittels Trockenätzen entfernt wird. Durch das Aufbringen einer zweiten Metallschicht im Schritt 1070 wird dadurch auch die Durchkontaktierung gefüllt.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird nach dem optionalen Schritt 1040 ein weiterer Schritt 1050 erfolgen, indem ein Bereich der ersten Elektrode bis zur Schutzschicht der Vorderseite entfernt wird. Nach Durchführung der Schritte 1060 und 1070 folgt ein weiterer Schritt 1080, in dem die erste Metallschicht strukturiert wird, so dass ein Bereich unterhalb der Strecke zwischen der Gate-Elektrode und der Drain-Elektrode freiliegt. In einem folgenden Schritt 1090 wird die erste Metallschicht im Bereich unterhalb der ersten Elektrode entfernt, so dass ein Bereich für eine zweite Via entsteht. In einem folgenden Schritt 1100 wird eine zweite Isolationsschicht in einem Bereich unterhalb der Strecke zwischen der Gate-Elektrode und der Drain-Elektrode aufgebracht. In einem folgenden Schritt 1110 wird die zweite Isolationsschicht im Bereich unterhalb des Sourcekontakts entfernt. In einem folgenden Schritt 1120 wird eine zweite Metallschicht aufgebracht, und in einem folgenden Schritt 1130 wird eine dritte Isolationsschicht aufgebracht. In einem folgenden Schritt 1140 wird eine dritte Metallschicht aufgebracht. Durch den Aufbau der geteilten Source-Feldplatte, die sich nun aus einer ersten, einer zweiten und einer dritten Metallschicht zusammensetzt, kann die elektrische Feldverteilung im Bauelement gezielt gesteuert werden. Die maximale Feldstärke kann auf diese Weise an die Feldplattenkante und somit innerhalb der ersten Isolationsschicht verschoben werden. Dies reduziert die Spitzenfeldstärke im GaN-Buffer bis zur Oberseitenschutzschicht. Dadurch erhöht sich die Durchbruchspannung des Transistors und die Fehlstellenumladung bzw. Fehlstellenerzeugung wird verringert. Somit erhöht sich die dynamische Performance. Gleichzeitig wird die Zuverlässigkeit des Bauelements erhöht. Die auf diese Weise hergestellten Transistoren können in vielen leistungselektronischen Wandlern genutzt werden, beispielsweise im Automotiv-Bereich bei Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, sowie im Photovoltaikbereich für die Realisierung von beispielsweise Invertersystemen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013211374 A1 [0002]