CH659151A5 - Festkoerperschalter mit einem halbleiterkoerper und schaltungsanordnung mit wenigstens zwei festkoerperschaltern. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Festkörperschalter gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Schai-tungsanordnung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 11.

In dem Aufsatz von Douglas E. Houston und Mitarbeitern mit dem Titel «A Field Terminated Diode», veröffentlicht in IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-23, Nr. 8, August 1976 ist ein diskreter Festkörperschalter für hohe Spannungen mit einer vertikalen Struktur beschrieben, bei dem eine Zone vorgesehen ist, welche zur Erzielung des «AUS»-Zustan-des abgeschnürt und zur Erzielung des «EIN»-Zustandes durch Injektion von Ladungsträgerpaaren stark leitend gemacht wird. Bei diesem Schalter ergibt sich jedoch die Schwierigkeit, dass er sich nur schwer in integrierter Schaltkreistechnik, d.h. zusammen mit anderen ähnlichen Festkörperschaltern auf einem gemeinsamen Substrat herstellen lässt. Ein weiteres Problem ergibt sich aus dem Umstand, dass der Abstand zwischen den Gates und der Kathode klein sein sollte, um die Grösse der Gatesteuerspannung gering zu halten; durch diese Massnahme wird jedoch der nutzbare Spannungsbereich begrenzt, weil dadurch die Gitter/Kathoden-Durchbruchsspannung herabgesetzt wird. Durch diese Begrenzung wird auch die Verwendbarkeit von zwei solchen Bauelementen in Antiparallelschaltung, das ist die Verbindung der Kathode jedes Bauelementes mit der Anode des anderen, auf relativ geringe Spannungen beschränkt. Eine

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solche Zweifach-Schalteranordnung wäre als ein bidirektionaler Festkörperschalter für hohe Spannungen einsetzbar. Ein zusätzliches Problem ergibt sich daraus, dass die Basiszone im Idealfall hoch dotiert sein sollte, um einen Durchbruch von der Anode zum Gate zu vermeiden. Derartige Festkörperschalter sind beispielsweise in den US-Patentschriften 3 722 079, 3 657 616 und 3 911 463 beschrieben. Weiter sind im INTERNATIONAL SWITCHING SYMPOSIUM, Ausgabe 25. Oktober 1976, Kyoto, Japan, ein Vortrag über «DEVELOPMENT OF INTE-GRATED SEMICONDUCTORS CROSSPOINT SWITCHES AND A FULLY ELECTRONIC SWITCHING SYSTEM» und im IEEE INTERNATIONAL SOLID STATE CIRCUITS CONF., Ausgabe 17. Februar 1978, ein Vortrag über «A MOS-CONTROLLED TRIAC DEVICE» veröffentlicht worden. Bei solchen bekannten Festkörperschaltern mit hoher Dotierung der Basiszone führt dies jedoch zu einer geringen Spannungsdurchschlagfestigkeit zwischen Anode und Kathode. Der Durch-bruch-Effekt kann zwar durch eine Verbreiterung der Basiszone begrenzt werden, doch wird dadurch auch der Widerstand des Schalters im «EIN»-Zustand erhöht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Schaffung eines Festkörperschalters, welcher leicht auf eine Weise zu integrieren ist, dass zwei oder mehrere Schalter gleichzeitig auf einem Substrat hergestellt werden können, wobei jeder Schalter in der Lage ist, relativ hohe Spannungen in beiden Richtungen zu sperren.

Der erfindungsgemässe Festkörperschalter ist gekennzeichnet durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale.

Die erfindungsgemässe Schalteranordnung ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 11 angeführten Merkmale gekennzeichnet.

Der Aufbau ist so gewählt, dass während des Betriebs eine Injektion von Ladungsträgerpaaren erfolgt.

Ein derartiger Halbleiteraufbau arbeitet bei geeigneter Ausbildung als Schalter, welcher sich durch einen niederohmigen Strompfad zwischen Anode und Kathode im EIN-(leitenden) Zustand und durch einen hochohmigen Strompfad zwischen Anode und Kathode im AUS-(sperrenden) Zustand auszeichnet.

Das der Gatezone zugeführte Potential bestimmt den Zustand des Schalters. Da während des EIN-Zustandes eine Injektion von Ladungsträgerpaaren erfolgt, ergibt sich zwischen Anode und Kathode ein relativ geringer Widerstand. Mit Hilfe eines solchen Aufbaus, der als getasteter Diodenschalter (GDS = gated diode switch) bezeichnet werden soll, lassen sich bei geeigneter Auslegung im sperrenden AUS-Zustand eine relativ grosse, von der Polarität unabhängige Spannungsdifferenz zwischen Anoden- und Kathodenzone und im leitenden EIN-Zu-stand einrelativ grosser Strombetrag bei relativ geringem Spannungsabfall zwischen Anode und Kathode anlegen. Derartige getastete Diodenschalter (GDSs) können in Gruppen zusammen mit anderen, für hohe Spannungen ausgelegten Festkörperschaltern auf einem einzigen integrierten Schaltkreis-Chip hergestellt werden. Die nach beiden Richtungen bestehende Sperrcharakteristik gestattet die Verwendung zweier Diodenschalter als bidirektionaler Schalter, wobei jeweils die Kathode des einen Schalters mit der Anode des anderen Schalters und die Gateelektroden beider Schalter miteinander verbunden sind.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden beispielhaften Beschreibung der Zeichnungen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Festkörperschalter gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ein elektrisches Schaltsystem für den Festkörperschalter nach Fig. 1;

Fig. 3 ein elektrisches Schaltbild eines bidirektionalen Schalters gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Festkörperschalter gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 einen Schnitt durch einen Festkörperschalter gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 einen Schnitt durch einen Festkörperschalter gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 einen Schnitt durch einen Festkörperschalter gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 8 eine Draufsicht auf den Festkörperschalter gemäss Fig. 7.

In Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine Vorrichtung 10 dargestellt, welche einen N-leitenden Halbleiterträger 12 mit einer Oberseite 11 und einem monokristallinen Halbleiterkörper 16 umfasst, wobei der Grundkörper des Halbleiterkörpers P-lei-tend und vom Halbleiterträger durch die dielektrische Schicht 14 getrennt ist.

Eine abgegrenzte P+-leitende Anodenzone 18 befindet sich innerhalb des Halbleiterkörpers 16 und erstreckt sich mit einem Teilbereich bis zur Oberseite 11. Eine abgegrenzte, N+-leitende Gatezone 20 befindet sich ebenfalls innerhalb des Halbleiterkörpers 16 und erstreckt sich mit einem Teilbereich bis zur Oberseite 11. Weiterhin befindet sich eine abgegrenzte, N +-leitende Kathodenzone 24 innerhalb des Halbleiterkörpers 16 und erstreckt sich mit einem Teilbereich bis zur Oberseite 11. Eine P+-leitende, sich teilweise bis zur Oberseite 11 erstreckende Zone. 22 umgibt die Zone 24 und wirkt als Schild gegenüber einem Durchbruch der Verarmungsschicht. Die Wirkung dieser Zone verhindert ausserdem eine Inversion von Teilbereichen des Halbleiterkörpers 16 an oder nahe der Oberseite 11 zwischen den Zonen 20 und 24. Die Gatezone 20 befindet sich zwischen der Anodenzone 18 und Zone 22 und ist von beiden durch den Grundkörper des Halbleiterkörpers 16 getrennt. Der spezifische Widerstand der Zone 22 liegt zwischen dem Wert für die Kathodenzone 24 und demjenigen für den Grundkörper des Halbleiterkörpers.

Die Elektroden 28, 30 und 32 stellen Leiter für einen niederohmigen Kontakt mit den Oberflächenbereichen der Zonen 18, 20 und 24 dar. Eine dielektrische Schicht 26 bedeckt die Oberseite 11 derart, dass die Elektroden 28, 30 und 32 gegenüber allen Bereichen isoliert sind, wobei allerdings diejenigen Bereiche ausgenommen sind, mit denen ein elektrischer Kontakt vorgesehen ist. Mittels einer hochdotierten Zone 34, welche den gleichen Leitungstyp wie der Halbleiterträger 12 aufweist, stellt eine Elektrode 36 einen niederohmigen Kontakt mit dem Halbleiterträger 12 her.

Vorteilhafterweise bestehen Halbleiterträger 12 und Halbleiterkörper 16 aus Silicium, wobei der Halbleiterträger 12 entweder N-leitend oder P-leitend sein kann. Jede der Elektroden 28, 30 und 32 überlappt zweckmässigerweise die zugehörige Halbleiterzone, mit welcher sie in niederohmigem Kontakt steht. Diese als Feldbelag (field plating) bekannte Überlappung erleichtert den Betrieb bei hohen Spannungen, da sie den Spannungswert für das Auftreten eines Durchschlags erhöht. Die dielektrische Schicht 14 besteht aus Siliciumdioxid, während die Elektroden 28, 30, 32 und 36 alle aus Aluminium bestehen. Gegenüber den angegebenen Leitfähigkeiten können auch die komplementären Leitfähigkeiten verwendet werden.

Eine Vielzahl von getrennten Grundkörpern 16 können in einem gemeinsamen Halbleiterträger 12 ausgebildet sein, um eine Vielzahl von Schaltern vorzusehen. In sinnvoller Weise kann die Planartechnik herangezogen werden, um zahlreiche Bauelemente als eine integrierte Schaltung auf einer gemeinsamen Oberfläche herzustellen.

Die Vorrichtung 10 arbeitet typischerweise als ein Schalter, welcher durch einen Strompfad geringer Impedanz zwischen Anodenzone und Kathodenzone 24 im EIN-(leitenden) Zustand und durch einen Strompfad hoher Impedanz zwischen den beiden Zonen im AUS-(sperrenden) Zustand gekennzeichnet ist.

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Das der Gatezone 20 zugeführte Potential bestimmt den Zustand des Schalters. Eine leitende Verbindung zwischen Anodenzone 18 und Kathodenzone 24 besteht dann, wenn das Potential der Gatezone 20 niedriger als das Potential der Anodenzone 18 und der Kathodenzone 24 ist. Während des EIN-Zu-standes werden Defektelektronen von der Anodenzone 18 in den Halbleiterkörper 16 und Elektronen von der Kathodenzone 24 in den Halbleiterkörper 16 injiziert. Diese Defektelektronen und Elektronen können in genügend grosser Zahl eingebracht werden, um ein Plasma zu bilden, dessen Leitfähigkeit den Halbleiterkörper 16 moduliert. Dieser Vorgang setzt den Widerstand des Halbleiterkörpers 16 in einer solchen Weise herab, dass der Widerstand zwischen der Anodenzone 18 und der Kathodenzone 24 klein wird, wenn die Vorrichtung 10 im EIN-Zu-stand arbeitet. Diese Betriebsweise wird als Injektion von Ladungsträgerpaaren bezeichnet. Die hier beschriebene Art der Vorrichtung wird als getasteter Diodenschalter (GDS = Gated Diode Switch) bezeichnet.

Die Zone 22 trägt zur Begrenzung des Durchbruchs einer Verarmungsschicht bei, die sich im Betrieb zwischen der Gatezone 20 und der Kathodenzone 24 ausbildet, und hilft zu verhindern, dass zwischen diesen beiden Zonen eine Inversionsschicht an der Oberfläche entsteht. Dies erlaubt einen geringeren Abstand zwischen Gatezone 20 und Kathodenzone 24, was zu einem relativ geringen Widerstand zwischen Anodenzone 18 und Kathodenzone 22 während des EIN-Zustandes führt.

Das Substrat 12 wird typischerweise auf dem höchstmöglich verfügbaren, positiven Spannungspegel gehalten. Die Leitung zwischen Anodenzone 18 und Kathodenzone 14 wird verhindert oder ist unterbrochen, wenn das Potential an der Gatezone 20 einen ausreichend positiveren Wert als das Potential an Anodenzone 18 und Kathodenzone 24 aufweist. Der zur Verhinderung oder Unterbrechung der Leitung benötigte zusätzliche Betrag an positivem Potential ist von der Geometrie und den Niveaus der Störstellenkonzentration (Dotierung) der Vorrichtung 10 abhängig. Dieses positive Gatepotential veranlasst den zwischen Gatezone 20 und dielektrischer Schicht 14 befindlichen Teil des Halbleiterkörpers 14, an stromführenden Ladungsträgern zu verarmen, so dass das Potential dieses Teils des Halbleiterkörpers 16 positiver als dasjenige der Anodenzone 18 und der Kathodenzone 24 ist. Diese positive Potentialbarriere verhindert die Leitung von Defektelektronen von der Anodenzone 14 zur Kathodenzone 24. Hierdurch wird im wesentlichen der Halbleiterkörper 16 gegen die dielektrische Schicht 14 in dem zwischen Gatezone 20 und dielektrischer Schicht 14 befindlichen Teil des Grundkörpers abgeschnürt. Ausserdem wird damit eine Sammlung der von der Kathodenzone 24 emittierten Elektronen erreicht, bevor diese zur Anodenzone 18 gelangen können.

Während des EIN-Zustandes der Vorrichtung 10 ist der aus dem Halbleiterkörper 16 und der Zone 20 bestehende Diodenübergang in Flussrichtung vorgespannt. Vorzugsweise werden strombegrenzende Mittel (nicht dargestellt) einbezogen, um die Leitung durch die in Flussrichtung vorgespannte Diode zu begrenzen.

Ein für diesen Schalter vorgeschlagenes elektrisches Symbol ist in Fig. 2 dargestellt. Die Anoden-, Gate- und Kathodenelektrode des getasteten Diodenschalters (GDS) sind mit den Anschlüssen 28, 30 und 32 bezeichnet.

Eine Ausführung der Vorrichtung 10 wurde in der folgenden Weise ausgebildet. Der Halbleiterträger 12 besteht aus einem N-leitenden Siliciumsubstrat 0,457 bis 0,559 mm dick, mit einer Störstellenkonzentration von etwa 2 X 1013 Fremdatomen pro cm3 und weist einen spezifischen Widerstand von grösser 100 Ohm-cm auf. Die dielektrische Schicht 14 wird aus einer 2 bis 4 Mikron dichten Siliciumdioxidschicht 14 gebildet. Der Halbleiterkörper 16 hat typischerweise eine Dicke von 30 bis 50 Mikron, ist etwa 430 Mikron lang, 300 Mikron breit und weist eine P-Leitung mit einer Störstellenkonzentration im Bereich von 5 bis 9 X 1013 Fremdatomen pro cm3 auf. Die Anodenzone 18 ist P+-leitend, typischerweise 2 bis 4 Mikron dick, 44 Mikron breit, 52 Mikron lang und weist eine Störstellenkonzentration von etwa 1019 Fremdatomen pro cm3 auf. Die Elektrode 28 besteht typischerweise aus Aluminium mit einer Dicke von 1,5 Mikron, einer Breite von 84 Mikron und einer Länge von 105 Mikron. Die Zone 20 ist N+-leitend, typischerweise 2 bis 4 Mikron dick, 15 Mikron breit, 300 Mikron lang und weist eine Störstellenkonzentration von etwa 1019 Fremdatomen pro cm3 auf. Die Elektrode 30 besteht aus Aluminium und ist 1,5 Mikron dick, 50 Mikron breit und 210 Mikron lang. Der Abstand zwischen den benachbarten Kanten der Elektroden 28 und 30 und zwischen den benachbarten Kanten der Elektroden 30 und 32 ist in beiden Fällen typischerweise 40 Mikron. Die Zone 22 ist P-leitend, typischerweise 3 bis 6 Mikron dick, 64 Mikron breit, 60 Mikron lang und weist eine Störstellenkonzentration von etwa IO17 bis 1018 Fremdatomen pro cm3 auf. Die Kathodenzone 24 ist N+-leitend, und typischerweise 2 Mikron dick, 48 Mikron breit, 44 Mikron lang und weist eine Störstellenkon-zentration von etwa 1019 Fremdatomen pro cm3 auf. Die Elektrode 32 besteht aus Aluminium und ist 1,5 Mikron dick, 104 Mikron breit und 104 Mikron lang. Der Abstand zwischen den Begrenzungen der Zonen 18 und 22 und den entsprechenden Begrenzungen der Zone 16 beträgt typischerweise 55 Mikron. Zone 34 ist N+-leitend, typischerweise 2 Mikron dick, 26 Mikron breit, 26 Mikron lang und weist eine Störstellenkonzentration von 1019 Fremdatomen pro cm3 auf. Die Elektrode 36 besteht aus Aluminium von 1,5 Mikron Dicke, 26 Mikron Breite und 26 Mikron Länge.

Die mit den vorstehend angeführten Kenngrössen ausgestattete Vorrichtung 10 arbeitete als getasteter Diodenschalter (GDS) mit einer Spannung von 500 V zwischen Anode und Kathode. Um eine Natriumsperre vorzusehen wurde durch chemisches Aufdampfen eine Schicht aus Siliciumnitrid auf der Oberseite der Siliciumdioxidschicht 26 aufgebracht. Danach wurden die Elektroden 28, 30, 32 und 36 ausgebildet, und anschliessend wurde ein im HF-Plasma niedergeschlagener Belag aus Siliciumnitrid (nicht dargestellt) auf der gesamten Oberseite der Vorrichtung 10 aufgebracht, wobei nur die Bereiche zur Herstellung eines elektrischen Kontakts ausgenommen waren. Die Schichten aus Siliciumnitrid helfen einen Überschlag hoher Spannungen zwischen den benachbarten Elektroden über die Luft zu verhindern.

Typischerweise liegen an der Anode + 250 Volt, an der Kathode —250 Volt und am Substrat 12 +280 Volt an. In gleicher Weise können an der Anode —250 Volt und an der Kathode + 250 Volt angeschlossen sein. Auf diese Weise riegelt die Vorrichtung 10 die Spannung zwischen Anode und Kathode nach beiden Seiten ab. Ein an den Gateanschluss 30 angelegtes Potential von + 280 Volt unterbrach den 350 mA betragenden Stromfluss zwischen der Anodenzone 15 und der Kathodenzone 24. Bei einem Stromfluss von 100 mA zwischen Anode und Kathode beträgt der EIN-Widerstand des GDS ungefähr 15 Ohm, wobei der Spannungsabfall zwischen Anode und Kathode typischerweise 2,2 Volt ausmacht.

In Fig. 3 ist eine erfindungsgemässe, bidirektionale Schalteranordnung mit zwei GDS (GDS und GDSa) dargestellt, bei welcher die Elektrode 28 (die Anodenelektrode von GDS) elektrisch mit der Elektrode 32a (der Kathodenelektrode von GDSa) und die Elektrode 32 (die Kathodenelektrode von GDS) elektrisch mit der Elektrode 28a (der Anodenelektrode von GDSa) verbunden ist. Diese Schalteranordnung ist in der Lage, Signale von den Elektroden 28 und 32a zu den Elektroden 28a und 32 oder umgekehrt zu leiten. Die zweiseitige Sperrcharakteristik der Vorrichtung 10 erleichtert diese in beiden Richtungen wirkende Schalteranordnung. Zwei getrennte Halbleiterkörper 16 können auf einem gemeinsamen Halbleiterträger 12 ausgebildet

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und die geeigneten elektrischen Verbindungen vorgenommen werden, um den vorstehend beschriebenen, bidirektionalen Schalter herzustellen. Auch eine Vielzahl von getrennten Halbleiterkörpern 16 können auf einem gemeinsamen Halbleiterträger 12 zur Herstellung von Schaltergruppen ausgebildet sein.

Eine der Vorrichtung 10 sehr ähnliche Vorrichtung 410 ist in Fig. 4 dargestellt, wobei alle der Vorrichtung 10 im wesentlichen identischen oder sehr ähnlichen Komponenten mit der gleichen Bezugsziffer unter Voranstellung einer «4» bezeichnet sind. Der grundlegende Unterschied zwischen den Vorrichtungen 410 und 10 ist der Wegfall der in Fig. 1 gezeigten Halbleiterzone 22 bei der Vorrichtung 410. Durch eine geeignete Erhöhung des Abstandes zwischen den Zonen 424 und 420 wird ein ausreichender Schutz gegenüber einem Durchbruch der Verarmungsschicht zur Zone 424 erreicht, wodurch eine Verwendung der Vorrichtung 410 als Schalter für hohe Spannungen möglich ist.

Eine der Vorrichtung 10 sehr ähnliche Vorrichtung 510 ist in Fig. 5 dargestellt, wobei alle der Vorrichtung 10 im wesentlichen gleichen oder sehr ähnlichen Komponenten mit der gleichen Bezugsziffer unter Voranstellung einer «5» bezeichnet sind. Der hauptsächliche Unterschied zwischen den Vorrichtungen 510 und 10 liegt in der Verwendung einer ringförmigen Schutzzone 540 aus Halbleitermaterial, welche die Kathodenzone 524 umschliesst. Durch gestrichelte Linien ist angedeutet, dass der Schutzring 540 so weit verlängert sein kann, dass er die Kathodenzone 524 berührt. Die Verbindung von Zone 522 und Schutzring 540 ergibt sowohl eine Schutzwirkung gegenüber einer Inversion von Teilbereichen der Zone 516 an oder nahe der Oberfläche 511 speziell im Bereich zwischen der Gatezone 520 und der Kathodenzone 524 als auch eine Schutzwirkung gegenüber einem Durchbruch der Verarmungsschicht zur Kathodenzone 524. Der Schutzring 540 ist vom gleichen Leitungstyp wie Zone 522, weist aber einen geringeren spezifischen Widerstand auf. Diese Art einer die Kathodenzone 524 zweifach umschlies-senden Schutzstruktur stellt die bevorzugte Schutzstruktur dar.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sollen in beispielhafter Weise die generellen Prinzipien der Erfindung darstellen. Zahlreiche Modifikationen sind ohne Abweichung vom Erfindungsgedanken möglich. So können beispielsweise bei den beschriebenen Ausführungsformen die Halbleiterträger 12, 412 und 512 alternativ aus P-leitendem Silicium, Galliumar-senid, Saphir, einem leitenden oder einem elektrisch inaktiven Material bestehen, Sind die Zonen 12, 412 und 512 aus einem elektrisch inaktiven Material, dann können die dielektrischen Schichten 14, 414 und 514 entfallen. Weiterhin lassen sich die Halbleiterkörper 16, 416 und 516 als luftisolierte Strukturen herstellen. Damit können die Halbleiterträger 12, 412 und 512 sowie die dielektrischen Schichten 14, 414 und 514 weggelassen werden. Die Elektroden können aus dotiertem Poly-Silicium, Gold, Titan oder einem anderen Leitertyp bestehen. Weiterhin können die Grösse der Störstellenkonzentration, die Abstände zwischen den verschiedenen Zonen und weitere Abmessungen der Zonen so eingerichtet sein, dass sie für merklich unterschiedliche Spannungen und Ströme gegenüber den beschriebenen ausgelegt sind. Andere dielektrische Materialien, wie beispielsweise Siliciumnitrid, können anstelle von Siliciumdioxid verwendet werden. Der Leitungstyp aller Zonen innerhalb der dielektrischen Schicht lässt sich unter geeigneter Polaritätsänderung der Spannungen in allgemein bekannter Weise umkehren. Darüber hinaus lässt sich erkennen, dass die erfindungsgemässe Vorrichtung mit Wechselstrom und Gleichstrom betrieben werden kann.

In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform mit Bezugsziffern gemäss Fig. 1 aus den 600-Zahlen gezeigt, bei welcher der Halbleiterkörper 616 von der dielektrischen Schicht 614 durch eine dazwischenliegende Halbleiterschicht 633 isoliert ist, welche einen gegenüber dem Halbleiterkörper 616 entgegengesetzten Leitungstyp aufweist. Die Elektroden 628, 630 und 632 stellen Leiter zur niederohmigen Kontaktgabe mit den Oberflächenbereichen der Zonen 618, 620 und 624 dar. Eine dielektrische Schicht bedeckt die Oberseite 611 in der Weise, dass die Elektroden 628, 630 und 632 von allen Zonen mit Ausnahme derer, mit welchen sie in elektrischem Kontakt stehen sollen, isoliert sind. Die Elektrode 630 stellt den elektrischen Kontakt mit der Zone 638 auf der Oberseite 611 vor oder hinter dem Halbleiterkörper 616 her (nicht dargestellt).

Die Schicht 638 kann so abgeändert werden, dass sie nur an dem unteren Teilbereich des Halbleiterkörpers 16 besteht, wie dies mit Zone 638a gekennzeichnet ist. Mit einer solchen Abänderung wird eine geeignet diffundierte oder ionenimplantierte Zone(n) (nicht dargestellt) zwischen der Oberseite 611 und der abgeänderten Schicht 638a ausgebildet. Die Elektrode 630 wäre in diesem Fall zu verlängern, um einen elektrischen Kontakt zu dieser Zone an der Oberseite 611 herzustellen.

Die Schicht 638 trägt dazu bei, den Halbleiterkörper 616 von den besonderen Eigenschaften der dielektrischen Schicht 614 zu isolieren, und unterstützt damit den Herstellungsprozess in der Weise, dass die Toleranzen für die Ausbildung der dielektrischen Schicht 14 etwas gemildert werden können. Damit werden die Herstellungsausbeute erhöht und die Kosten erniedrigt. Zusätzlich dient die Schicht 638 als eine tieferliegende Gatezone, welche dazu beiträgt, die Höhe des Gatepotentials zu erniedrigen, das zum Verhindern oder Auftrennen der Leitung zwischen Anodenzone 618 und Kathodenzone 624 benötigt wird. Die alleinige Verwendung des Teilbereichs 638a der Schicht 638 dient zur Isolierung des Halbleiterkörpers 616 von der Zone 614 in dem Teil des Halbleiterkörpers 616, welcher sich unter der Zone 620 befindet. Dieser spezielle Teil des Halbleiterkörpers 616 ist der kritischste Teil, da der Halbleiterkörper 616 in diesem Teil im wesentlichen abgeschnürt («pinched off») ist, wenn sich die Vorrichtung 610 im AUS-Zustand befindet.

Die Schicht 638a sieht keine vollständige Isolierung von der dielektrischen Schicht vor, aber sie setzt das zur Ausschaltung benötigte Gatepotential herab, während dadurch die Durchbruchsspannung des Aufbaus im wesentlichen unbeeinflusst bleibt. Die Schicht 638 erreicht zwar eine vollständige Isolierung von der dielektrischen Schicht 614, setzt aber auch die Durchbruchsspannung des Aufbaus geringfügig herab. Bei Verwendung der Schicht 638 wird generell die Dicke des Körpers 616 erhöht, um die Durchbruchsspannung auf vorgegebenen Werten zu halten.

Die Schicht 638 muss nicht notwendigerweise direkt mit der Elektrode 630 verbunden sein. Da sich positive Ladung in der Schicht 626 befindet, bildet sich eine Oberflächen-Inversions-schicht nahe der Oberseite 611 des Körpers 616 zwischen der Schicht 638 und der Gatezone 620 aus, welche in der Lage ist, beide miteinander zu verbinden. Aber auch ohne diese positive Ladung kann angenommen werden, dass durch den «Durch-bruch»-Effekt die Elektrode 630 und die Schicht 638 elektrisch miteinander verbunden werden.

In Fig. 7 und 8 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei welcher sich die Gatezone 720 nicht zwischen der Anodenzone 718 und der Kathodenzone 724 befindet. Die Vorrichtung 710 ist so ausgelegt, dass die Anodenzone 718 und die Kathodenzone 724 nur einen relativ geringen gegenseitigen Abstand aufweisen, um den Widerstand zwischen diesen beiden Zonen im EIN-(Ieitenden) Zustand herabzusetzen. Ein wahlweise vorgesehener Leiter 738 befindet sich auf der Oberseite der Schicht 726 zwischen den Elektroden 728 und 732. Der Leiter 738 ist elektrisch mit der Elektrode 730 verbunden und hilft die im Betrieb der Vorrichtung 710 notwendige Höhe der Gatespannung herabzusetzen, was aber für den Betrieb nicht unbedingt erforderlich ist.

Eine Ausführungsform der Vorrichtung 710 wurde in der

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folgenden Weise hergestellt. Der Halbleiter-Wafer (Substrat) 712 besteht aus einem N-leitenden Siliciumsubstrat, 457 bis 559 Mikron dick, mit einer Störstellenkonzentration von etwa 5 x 1013 Fremdatomen pro cm3 und einem spezifischen Widerstand des Materials von 100 Ohm-cm. Die aus Siliciumdioxid bestehende dielektrische Schicht 714 ist typischerweise 2 bis 4 Mikron dick. Der Halbleiterkörper 716 ist typischerweise 30 bis 40 Mikron dick, ungefähr 430 Mikron lang, 170 Mikron breit und weist eine P-Leitung mit einer Störstellenkonzentration von etwa 5 bis 9 X 1013 Fremdatomen pro cm3 auf. Die Anodenzone 718 ist P+-leitend, typischerweise 2 bis 4 Mikron dick, 28 Mikron breit, 55 Mikron lang und weist eine Störstellenkonzentration von ungefähr 1019 Fremdatomen pro cm3 auf. Die Elektrode 728 besteht aus Aluminium mit einer Dicke von 1,5 Mikron, einer Breite von 55 Mikron und einer Länge von 95 Mikron. Die Gatezone 720 ist N+-leitend, typischerweise 2 bis 4 Mikron dick, 38 Mikron breit, 55 Mikron lang und weist eine Störstellenkonzentration von ungefähr 1019 Fremdatomen pro cm3 auf. Die Elektrode 730 besteht aus Aluminium mit einer Dicke von 1,5 Mikron, einer Breite von 76 Mikron und einer Länge von 95 Mikron. Der Abstand zwischen den benachbarten Kanten der Elektroden 728 und 732 beträgt typischerweise 40 Mikron (ohne Leitungsanschluss 738) wie auch der Abstand zwischen den benachbarten Kanten der Elektroden 728 und 730 typischerweise 40 Mikron beträgt. Die Zone 722 ist P-leitend, typischerweise 3,5 Mikron dick, 44 Mikron breit, 44 Mikron lang und weist an der Oberfläche eine Störstellenkonzentration von ungefähr 1018 Fremdatomen pro cm3 auf. Die Kathodenzone 724 ist N+-lei-tend, typischerweise 2 Mikron dick, 30 Mikron breit, 30 Mikron lang und weist eine Störstellenkonzentration von ungefähr 1019 Fremdatomen pro cm3 auf. Die Elektrode 32 besteht aus Aluminium, ist 1,5 Mikron dick, 82 Mikron breit und 82 Mikron lang. Der Abstand zwischen den Endbereichen der Elektroden 728 und 732 und den entsprechenden Endbereichen des P-leitenden Körpers 716 beträgt 50 Mikron. Die aus Aluminium bestehende Leitungszone 738 weist von den Elektroden 728 und 732 einen Abstand von 30 Mikron auf und ist 10 Mikron breit, 1,5 Mikron dick und 75 Mikron lang. Die Leitungszone 738 stellt den elektrischen Kontakt mit der Elektrode 730 vor oder hinter dem Körper 716 her. Es lässt sich erkennen, dass mit dieser Ausbildung der Abstand zwischen Kathode und Anode merklich herabgesetzt wird.

Mit den vorstehend angeführten Grössen arbeitete die Vorrichtung 710 als getasteter Diodenschalter mit einer Spannung s von 400 Volt zwischen Anode und Kathode. Hierbei wurden der Anode +200 Volt und der Kathode —200 Volt zugeführt. Wie erwähnt kann auch der Anode —200 Volt und der Kathode + 200 Volt zugeführt werden, um eine Sperrwirkung für beide Spannungseinrichtungen zu erhalten. Bei Vorhandensein der io Leitungszone 738 erwies sich ein Potential von +210 Volt als ausreichend, um einen Stromfluss von 1 mA zwischen Anode und Kathode zu unterbrechen. Es lässt sich abschätzen, dass dieser Spannungsbetrag bei Fehlen des Anschlusses 738 um 20 Volt höher Hegen muss. Der EIN-Widerstand des getasteten Di-i5 odenschalters betrug bei einem Stromfluss von 100 mA zwischen Anode und Kathode etwa 10 bis 12 Ohm, wobei ein Spannungsabfall von typischerweise 2,2 Volt zwischen Anode und Kathode auftrat. Eine Schicht aus Siliciumnitrid (nicht dargestellt) wurde durch chemisches Aufdampfen auf der Oberseite 20 der Siliciumdioxidschicht 726 aufgebracht, um als Natriumsperre zu wirken. Danach wurden die Elektroden 728, 730, 732 und 736 ausgebildet und ein im HF-Plasma niedergeschlagener Belag aus Siliciumnitrid (nicht dargestellt) auf der gesamten Oberseite der Vorrichtung 710 aufgebracht, welcher dazu verhalf, ei-25 nen Überschlag hoher Spannungen zwischen benachbarten Elektroden über die Luft zu verhindern.

Gemäss Fig. 5 kann ein die Kathodenzone 724 umgebender oder umschliessender und mit dieser in Kontakt stehender Schutzring vorgesehen sein; andererseits kann gemäss Fig. 4 die 30 Zone 722 auch weggelassen werden, wenn der Abstand zwischen Anode und Kathode ausreichend gross ist. Die Gatezone 20 kann entweder rechts der Kathodenzone 724, wie mit den gestrichelten Linien in Fig. 7 angedeutet, oder vor oder hinter dem Halbleiterkörper 716 angeordnet sein, wie mit den gestri-35 chelten Linien in Fig. 2 angedeutet. Weiterhin kann die Gatezone 720 von der dielektrischen Schicht 714 getrennt angeordnet oder, wie mit den gestrichelten Linien in Fig. 7 angedeutet, so weit verlängert sein, dass sie mit der dielektrischen Schicht 714 in Kontakt steht. Neben den erwähnten Abänderungen können 40 noch weitere Modifikationen vorgenommen werden.

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3 Blätter Zeichnungen

Claims (20)

659 151

1. Festkörperschalter mit einem Halbleiterkörper, dessen Grundkörper (16; 416; 516; 616; 716) einen ersten Leitungstyp aufweist, einer ersten Zone (18; 418; 518; 618; 718) des ersten Leitungstyps, einer zweiten Zone (24; 424; 524; 624; 724) eines zweiten, dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyp, einer Gatezone (20; 420; 520; 620; 720) des zweiten Leitungstyps, wobei die erste und zweite Zone sowie die Gatezone durch Teile des Grundkörpers (16; 416; 516; 616; 716) voneinander getrennt sind, der spezifische Widerstand der ersten und zweiten Zone sowie die Gatezone ist geringer als der spezifische Widerstand des Grundkörpers, die Parameter des Festkörperschalters so gewählt sind, dass bei Anlegen einer ersten Spannung an die Gatezone (20; 420; 520; 620; 720) ein Verarmungsbereich im Grundkörper ausgebildet wird, welcher einen Stromfluss zwischen der ersten und der zweiten Zone im wesentlichen verhindert, und dass sich bei Anlegen einer zweiten Spannung an die Gatezone und bestimmter Spannungen an die erste und zweite Zone ein niederohmiger Strompfad zwischen der ersten und zweiten Zone aufgrund einer Injektion von Trägerpaaren bildet, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche der ersten und zweiten Zone sowie der Gatezone Teil einer Oberseite (11; 411; 511; 611; 711) des Halbleiterkörpers ist.

2. Festkörperschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gatezone (20) zwischen der ersten (18) und der zweiten (24) Zone angeordnet ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Festkörperschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (718) und zweite (724) Zone durch einen ersten Teilbereich des Grundkörpers (716) voneinander getrennt sind und dass die Gatezone (720) auf einem zweiten Teilbereich der Oberseite des Halbleiterkörpers angeordnet ist, wobei die ersten und zweiten Teilbereiche voneinander verschieden sind (Fig. 7).

4. Festkörperschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten (718) und zweiten (724) Zone ein mit der Gatezone (720) elektrisch verbundener Leiter (738) angeordnet ist.

5. Festkörperschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (716) durch eine dielektrische Schicht von einem Halbleiterträger (712) getrennt ist.

6. Festkörperschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterträger (712) mit einer gesonderten, zum Vorspannen auf die höchste positive Spannung des Festkörperschalters vorgesehene Elektrode (736) kontaktschlüssig verbunden ist.

7. Festkörperschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zone (24) von einer dritten Zone (22) eines ersten Leitungstyps umgeben ist, deren spezifischer Widerstand geringer als bei dem Grundkörper (16) ist.

8. Festkörperschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (16) des Halbleiterkörpers P—-leitend, die erste Zone (18) P+-leitend, die zweite Zone (24) N+-leitend, die dritte Zone (22) P-leitend und die Gatezone (20) N+-leitend sind.

9. Festkörperschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Zone die zweite Zone ohne Kontakt-schluss zu dieser umgibt.

10. Festkörperschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zone in der dritten Zone mit Kontakt-schluss zu dieser enthalten ist.

11. Schaltungsanordnung mit wenigstens zwei Festkörperschaltern nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperschalter Bestandteile eines Halbleiterträgers (12) sind undd dass die Festkörperschalter untereinander dielektrisch (14) isoliert sind.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Festkörperschalter zur Bildung eines bidirektionalen Schalters mit ihren Gate-Elektroden miteinander verbunden sind, während die erste Zone jedes Festkörperschalters mit der zweiten Zone des jeweils anderen Festkörperschalters verbunden ist (Fig. 3).

13. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Halbleiterkörpern (16) durch eine dielektrische Schicht (14) getrennt und auf dem Halbleiterträger (12) gehaltert sind, dass der Halbleiterträger und die Halbleiterkörper aus Silicium bestehen und dass innerhalb des Halbleiterträgers (12) eine Kontaktzone (34) vorgesehen ist.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gatezone des ersten und zweiten Halbleiterkörpers miteinander verbunden sind, dass die erste Zone des Halbleiterkörpers mit der zweiten Zone des zweiten Halbleiterkörpers verbunden ist und dass die erste Zone des zweiten Halbleiterkörpers mit der zweiten Zone des ersten Halbleiterkörpers verbunden ist (Fig. 3).

15. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (16) innerhalb des Halbleiterträgers (12) angeordnet und von diesem durch eine dielektrische Schicht (14) getrennt ist.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper eine vierte Zone (638) des zweiten Leitungstyps umfasst, welche zwischen dem Grundkörper (616) und der dielektrischen Schicht (614) angeordnet ist.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Zone (638) mit der Gatezone (620) verbunden ist.

18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zone (624) von einer dritten Zone (622) des ersten Leitungstyps umgeben ist, welche einen geringeren spezifischen Widerstand als der Grundkörper (616) aufweist.

19. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Zone (638a) nur in dem Bereich des Halbleiterkörpers (616) zwischen der Gatezone (620) und der dielektrischen Schicht (614) angeordnet ist.

20. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Zone (638) im wesentlichen längs des gesamten Bereichs des Halbleiterkörpers (616) angeordnet ist, welche von der dielektrischen Schicht (614) begrenzt wird.