DE69814619T2

DE69814619T2 - Siliziumkarbid feldgesteuerter zweipoliger schalter

Info

Publication number: DE69814619T2
Application number: DE69814619T
Authority: DE
Inventors: Ranbir Singh; W. John PALMOUR
Original assignee: Cree Inc
Current assignee: Wolfspeed Inc
Priority date: 1997-04-30
Filing date: 1998-03-20
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2018-03-21
Also published as: ATE240588T1; DE69814619D1; KR100514398B1; WO1998049731A1; CA2285067C; CA2285067A1; CN1254442A; AU6572898A; US6011279A; JP2001522533A; EP0979531A1; JP4680330B2; KR20010006559A; EP0979531B1; CN1166001C

Description

Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft feldgesteuerte Bauelemente und insbesondere Bauelemente, die in Siliciumcarbid ausgebildet sind.
Hintergrund der Erfindung
Mit zunehmendem Bedarf an schnelleren Schaltungen höherer Leistung nimmt auch die Nachfrage nach Bauelementen mit höheren Schaltgeschwindigkeiten, höherer Stromtragfähigkeit sowie höheren Rückwärtssperr-Durchbruchspannungen zu. Anwendungen wie Leistungsmodule für Motor- und Generatorsteuerung, elektronische Vorschaltgeräte für die Beleuchtungssteuerung, Industrieroboter, Display-Treiber, Kfz-Zünd- und Automationssteuerung würden alle von schnelleren Schaltern mit höherer Leistung profitieren. Existierende Implementationen von schnelleren Leistungs-MOSFETs, IBGTs oder MOSgesteuerten Thyristoren haben jedoch den Erfolg bei der Erzeugung von Bauelementen mit sehr hoher Rückwärtssperr-Durchbruchspannung, einem geringen Leckstrom, niedrigem Vorwärtsdurchlasswiderstand und hoher Umschaltgeschwindigkeit begrenzt. Feldgesteuerte Thyristoren wurden als Hochleistungsbauelemente untersucht, aber diese Bauelemente waren hinsichtlich ihrer Schaltgeschwindigkeiten begrenzt. Es sind weitere Entwicklungen erforderlich, um ein Hochleistungs-Hochstrom-Bauelement mit hohen Schaltgeschwindigkeiten zu erzeugen.
Der feldgesteuerte Bipolarschalter ist ein dreipoliges Bauelement, bei dem eine P-i-N-Gleichrichterstruktur eine Gatestruktur hat, die den Stromfluss zwischen Anoden- und Kathodenanschluss regeln soll. Da diese Bauelemente unter einem hohen Niveau an injizierten Minoritätsträgern in der Driftzone arbeiten können, arbeiten feldgesteuerte Thyristoren bei sehr hohen Stromdichten mit einem niedrigen Vorwärtsspannungsabfall. Leider konnten feldgesteuerte Thyristoren aufgrund des hohen Niveaus an injizierten Minoritätsträgern nicht bei hohen Frequenzen arbeiten. In der Tat haben die gespeicherten Minoritätsträger in der Driftzone die Schaltgeschwindigkeit früherer Bauelemente auf unter 1 MHz begrenzt. In der Tat liegen typische erzwungene Gateabschaltzeiten für existierende feldgesteuerte Thyristoren zwischen 1 und 20 μs, je nach der bauartbedingten Durchbruchspannung des Bauelementes und den Torsteuerungstechniken (Baliga, B. J., Modern Power Devices, 1987, S. 196–260).
Das kürzlich erteilte US-Patent Nr. 5,387,805 von Metzler et al. beschreibt einen feldgesteuerten Thyristor, bei dem der Strompfad von der Anode zur Kathode durch eine Kanalzone an einer Leerstelle in der Kanalschicht verläuft. Das Bauelement klemmt den Strom mittels p-leitender Zonen ab, die die Leerstelle umgeben. Dieses Bauelement ist jedoch auf Stromdichten unter 400 A/cm² begrenzt, hat einen Spannungssperrverstärkungsfaktor von 150 und ist auf Torspannungen von 2 bis 10 Volt begrenzt. Somit würde die maximale theoretische Anodenspannung, die sich mit dem Bauelement erzielen lässt, 1500 Volt betragen. Metzler et al. beschreiben auch verschiedene andere Patente, die sich auf feldgesteuerte Bauelemente beziehen. Wie jedoch von Metzler et al. beschrieben, beschreibt keines dieser Patente Bauelemente mit den Eigenschaften der Bauelemente der vorliegenen Erfindung.
So beschreibt beispielsweise das US-Patent Nr. 4,937,644 von Baliga einen asymmetrischen feldgesteuerten Thyristor. Das Baliga-Patent beschreibt ein Bauelement, das einen DC-Sperrverstärkungsfaktor von mehr als 60 hat, und beansprucht eine höhere Schaltgeschwindigkeit, enthält aber keine Daten über die Schaltgeschwindigkeit des Bauelementes. Dieses Bauelement ist auf Vorwärtssperrspannungen von bis zu etwa 2000 Volt begrenzt.
Es besteht somit weiterhin Bedarf an der Entwicklung von feldgesteuerten Hochleistungsbauelementen, die höhere Durchbruchspannungen, einen niedrigeren Durchlasswiderstand, höhere Stromfähigkeiten und höhere Schaltgeschwindigkeiten aufweisen.
Die US-A-5,612,547 beschreibt einen statischen Siliciumcarbid-Induktionstransistor, der aus Siliciumcarbid 6H gefertigt ist. Der bevorzugte statische Induktionstransistor ist ein vertiefter Schottky-Barrierengatetyp, bei dem über Probleme bei der Herstellung diffundierter p/n-Übergänge in Siliciumcarbid berichtet wird. Die DE94 11 601 U weist Abbildungen von Bauelementen mit einem Gategitter auf. Die europäische Patentanmeldung EP 0 701 288 A2 beschreibt verschiedene Siliciumbauelemente. Die PCT-Publikation WO 95/34915 beschreibt ein Halbleiterbauelement in Siliciumcarbid und berichtet über Probleme bei der Herstellung von Bauelementen in Siliciumcarbid.
Zusammenfassung der Erfindung
Im Hinblick auf das oben Gesagte ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein feldgesteuertes Bauelement mit höherer Stromdichtekapazität als existierende Bauelemente bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt liegt die vorliegende Erfindung in einem feldgesteuerten Hochspannungs-Hochstrom-Transistor gemäß Anspruch 1.
Gemäß einem anderen Aspekt liegt die vorliegende Erfindung in einem feldgesteuerten Hochspannungs-Hochstrom-Transistor gemäß Anspruch 2.
Aufgrund der Erfindung kann ein feldgesteuertes Bauelement eine höhere Durchbruchspannung haben als frühere Bauelemente, sowie verbesserte Schaltgeschwindigkeiten.
In einer Ausgestaltung haben die dritte epitaktische Schicht und die erste epitaktische Schicht im Wesentlichen dieselbe Trägerkonzentration. In einer anderen Ausgestaltung haben die dritte epitaktische Schicht und die zweite epitaktische Schicht im Wesentlichen dieselbe Trägerkonzentration.
In noch einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst der feldgesteuerte Thyristor ferner eine fünfte epitaktische Schicht eines vierten Leitfähigkeitstyps, die auf der Oberseite des Substrats ausgebildet und zwischen Substrat und erster epitaktischen Schicht angeordnet ist, wobei die erste epitaktische Schicht auf der fünften epitaktischen Schicht gebildet ist.
In einer besonderen Ausgestaltung des feldgesteuerten Bipolarschalters der vorliegenden Erfindung sind der erste Leitfähigkeitstyp und der dritte Leitfähigkeitstyp p-Leitfähigkeit und der zweite Leitfähigkeitstyp ist n-Leitfähigkeit. Bei einer solchen Ausgestaltung ist der erste ohmsche Kontakt ein Kathodenkontakt und der zweite ohmsche Kontakt ein Anodenkontakt.
In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind der erste Leitfähigkeitstyp und der dritte Leitfähigkeitstyp n-Leitfähigkeit. Der zweite Leitfähigkeitstyp ist dann p-Leitfähigkeit. In einer solchen Ausgestaltung ist der erste ohmsche Kontakt ein Anodenkontakt und der zweite ohmsche Kontakt ein Kathodenkontakt.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit einer Tunneldiode sind der erste und der zweite Leitfähigkeitstyp n-Leitfähigkeit und der dritte und vierte Leitfähigkeitstyp sind p-Leitfähigkeit. Bei einem solchen Bauelement ist der erste ohmsche Kontakt ein Kathodenkontakt und der zweite ohmsche Kontakt ein Anodenkontakt.
Substrat sowie erste, zweite, dritte und vierte epitaktische Schicht können eine Mesa mit Seitenwänden bilden, die die Peripherie des Thyristors definieren. Die Seitenwände der Mesa können nach unten in das Substrat verlaufen.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit Senkenanodenkontakten werden Zonen aus Siliciumcarbid des ersten Leitfähigkeitstyps im Substrat an der Basis der Mesa ausgebildet. Mit dem zweiten ohmschen Kontakt elektrisch verbundene ohmsche Kontakte werden dann auf den Zonen aus Siliciumcarbid des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet.
In einer alternativen Mesaausgestaltung der vorliegenden Erfindung bilden die erste, zweite, dritte, vierte und fünfte epitaktische Schicht eine Mesa. Die Seitenwände der Mesa definieren die Peripherie des Thyristors. Die Seitenwände der Mesa verlaufen nach unten durch die erste, zweite, dritte und vierte epitaktische Schicht in die fünfte epitaktische Schicht. Bei Bedarf können elektrisch mit dem zweiten ohmschen Kontakt verbundene ohmsche Kontakte auf der fünften epitaktischen Schicht an der Basis der Seitenwände der Mesa ausgebildet werden.
Eine alternative Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann auch eine Isolierschicht beinhalten, die an den Seitenwänden der Mesa ausgebildet ist, um die Seitenwände zu passivieren. Zusätzliche Ausgestaltungen können auch aus 4H-Polytyp-Siliciumcarbid gefertigt sein.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung des Bipolarschalters der vorliegenden Erfindung ist eine Mehrzahl von Gräben in der dritten und der vierten epitaktischen Schicht ausgebildet. Die Mehrzahl der Zonen aus Siliciumcarbid des dritten Leitfähigkeitstyps, die in der zweiten epitaktischen Schicht ausgebildet sind, befinden sich am Boden der Mehrzahl von Gräben. Der ohmsche Gatekontakt wird dann auf dem in den Gräben ausgebildeten Siliciumcarbid des dritten Leitfähigkeitstyps gebildet. Der Fluss von Strom zwischen dem genannten ersten ohmschen Kontakt und dem genannten zweiten ohmschen Kontakt wird dadurch abgeklemmt, wenn eine Vorspannung an den ohmschen Gatekontakt angelegt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das Gategitter eine Mehrzahl von verbundenen, ineinander greifenden Fingern. Bei Bedarf umfasst der ohmsche Gatekontakt eine Mehrzahl von ineinander greifenden Fingern, die an den ineinander greifenden Fingern des Gategitters so ausgebildet sind, dass die Finger des ohmschen Gatekontakts im Wesentlichen parallel zu den Fingern des Gategitters verlaufen. In einem solchen Fall kann der erste ohmsche Kontakt eine Mehrzahl von ineinander greifenden Fingern umfassen, die auf der vierten epitaktischen Schicht ausgebildet und mit den Fingern des ohmschen Gatekontaktes durchsetzt sind.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit einer Mesa sind Zonen aus Siliciumcarbid des ersten Leitfähigkeitstyps im Substrat an der Basis der Mesa ausgebildet. Mit dem zweiten ohmschen Kontakt elektrisch verbundene ohmsche Kontakte sind auf den Zonen aus Siliciumcarbid des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet, so dass Senkenkontakte für das Bauelement entstehen.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung bilden die erste, zweite, dritte und vierte epitaktische Schicht eine Mesa mit Seitenwänden, die die Peripherie des Thyristors definieren. Die Seitenwände der Mesa verlaufen nach unten durch die erste, zweite und dritte epitaktische Schicht und bis zu der oder in die vierte epitaktische Schicht. In einer weiteren Ausgestaltung eines solchen Bauelementes werden mit dem zweiten ohmschen Kontakt elektrisch verbundene ohmsche Kontakte auf der vierten epitaktischen Schicht an der Basis der genannten Seitenwände der Mesa ausgebildet, um Senkenkontakte für das Bauelement zu erzeugen.
In Bauelementen mit einer Mesa beinhaltet eine alternative Ausgestaltung eine Isolierschicht, die an den Seitenwänden der Mesa gebildet ist, um die Seitenwände zu passivieren.
Beschreibung der Zeichnungen
1A ist eine Querschnittsansicht einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit einem vergrabenen Gategitter;
1B ist eine Querschnittsansicht einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit einem vergrabenen Gategitter und einer optionalen epitaktischen Siliciumcarbidschicht;
2A ist eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eines in Gräben ausgebildeten Gategitters;
2B ist eine Querschnittsansicht einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit einem in Gräben ausgebildeten Gategitter und einer optionalen epitaktischen Siliciumcarbidschicht;
3 ist eine Querschnittsansicht einer dritten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit Anodensenkenkontakten und einem vergrabenen Gategitter;
4 ist eine Querschnittsansicht einer vierten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit Anodensenkenkontakten und einem in Gräben ausgebildeten Gategitter;
5 ist eine Querschnittsansicht einer fünften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit einem vergrabenen Gategitter und einer Tunneldiode;
6 ist eine Querschnittsansicht einer sechsten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit einer Tunneldiode und einem in Gräben ausgebildeten Gategitter;
7 ist eine Draufsicht auf eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit einem vergrabenen Gategitter; und
8 ist eine Draufsicht auf eine alternative Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit einem in Gräben ausgebildeten Gate.
Ausführliche Beschreibung
Gleiche Bezugsziffern beziehen sich überall auf gleiche Elemente.
1A der Begleitzeichnungen illustriert eine erste Ausgestaltung des feldgesteuerten Hochspannungs-Hochstrom-Bipolarschalters der vorliegenden Erfindung. Wie in 1A dargestellt ist, hat ein massives einkristallines Siliciumcarbidsubstrat 10 eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer Oberseite und einer Unterseite eine erste epitaktische Schicht 20 aus Siliciumcarbid eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der Oberseite des Substrats 10 ausgebildet ist. Eine zweite epitaktische Schicht 22 aus Siliciumcarbid des zweiten Leitfähigkeitstyps ist auf der ersten epitaktischen Schicht 20 ausgebildet. In der zweiten epitaktischen Schicht 22 ist eine Mehrzahl von Zonen aus Siliciumcarbid eines dritten Leitfähigkeitstyps ausgebildet, die ein Gategitter 30 in der zweiten epitaktischen Schicht 22 bilden. Eine dritte epitaktische Schicht 24 aus Siliciumcarbid des zweiten Leitfähigkeitstyps ist auf der zweiten epitaktischen Schicht 22 ausgebildet. Wie 1A ebenfalls zeigt, ist eine vierte epitaktische Schicht 26 aus Siliciumcarbid des zweiten Leitfähigkeitstyps auf der dritten epitaktischen Schicht 24 ausgebildet. Diese vierte epitaktische Schicht 26 hat eine höhere Trägerkonzentration als die erste epitaktische Schicht 20, die zweite epitaktische Schicht 22 oder die dritte epitaktische Schicht 24.
Ein erster ohmscher Kontakt 42 ist auf der vierten epitaktischen Schicht ausgebildet und kann entweder ein Kathoden- oder ein Anodenkontakt sein, je nach dem Leitfähigkeitstyp des Substrats und der epitaktischen Schichten. Ein zweiter ohmscher Kontakt 40 ist auf der Unterseite des Substrats 10 ausgebildet und kann ebenfalls eine Kathode oder eine Anode sein. Ein ohmscher Gatekontakt ist in einer dritten Dimension ausgebildet und ist in 7 als Gatekontakt 46 dargestellt. Dieser ohmsche Gatekontakt 46 ist so gebildet, dass er die Mehrzahl von in der zweiten epitaktischen Schicht 22 ausgebildeten Zonen 30 kontaktiert, um den Stromfluss zwischen dem ersten ohmschen Kontakt 42 und dem zweiten ohmschen Kontakt 40 abzuklemmen, wenn eine Vorspannung an den ohmschen Gatekontakt 46 angelegt wird.
Wie in 1A zu sehen ist, wird die epitaktische Struktur bei Bedarf zu einer Mesa 36 mit Seitenwänden 37 geformt, die die Peripherie des Bipolarschalters definieren. Die Seitenwände 37 verlaufen vorzugsweise durch die einzelnen epitaktischen Schichten und in das Substrat 10. Bei Bedarf wird eine Isolierschicht 38 an den Seitenwänden der Mesa gebildet, um die Seitenwände zu passivieren. Sie kann auf die exponierten Bereiche aus Siliciumcarbid der Oberseite der Mesa wie z. B. bis zum ersten ohmschen Kontakt 42 und auf die Basis der Mesa am Substrat 10 verlaufen.
1B illustriert eine alternative Ausgestaltung des feldgesteuerten Thyristors mit vergrabenem Gate der vorliegenden Erfindung. 1B illustriert eine fakultative fünfte epitaktische Schicht 12 eines vierten Leitfähigkeitstyps. Die fünfte epitaktische Schicht 12 ist auf der Oberseite des Substrats 10 ausgebildet und zwischen Substrat 10 und erster epitaktischen Schicht 20 angeordnet. Die erste epitaktische Schicht 20 ist somit auf der fünften epitaktischen Schicht 12 ausgebildet.
1B illustriert auch die epitaktische Struktur, die optional zu einer Mesa 36 mit Seitenwänden 37 geformt ist, die die Peripherie des Bipolarschalters definieren. Die Seitenwände 37 verlaufen vorzugsweise durch die einzelnen epitaktischen Schichten und in das Substrat 10. Alternativ können die Seitenwände 37 der Mesa 36 durch die erste, zweite, dritte und vierte epitaktische Schicht 20, 22, 24 und 26 und auf oder in die fünfte epitaktische Schicht 12 verlaufen. Die Isolierschicht 38 kann dann an den Seitenwänden der Mesa ausgebildet werden, um die Seitenwände zu passivieren, und kann auf die Oberseite der Mesa zum ersten ohmschen Kontakt 42 und auf die Basis der Mesa an der fünften epitaktischen Schicht 12 verlaufen.
Der Bipolarschalter von 1A kann mit einem p-leitenden Substrat ausgebildet werden oder kann ein n-leitendes Substrat verwenden. In dem Fall, in dem das Substrat 10 aus Siliciumcarbid mit p-Leitfähigkeit gebildet ist, sind dann erster Leitfähigkeitstyp und dritter Leitfähigkeitstyp p-leitendes Siliciumcarbid. Das Siliciumcarbid des zweiten Leitfähigkeitstyps wäre ein n-leitendes Siliciumcarbid. In einem solchen Fall wären die erste epitaktische Schicht 20, die zweite epitaktische Schicht 22, die dritte epitaktische Schicht 24 und die vierte epitaktische Schicht 26 aus Siliciumcarbid des n-Leitfähigkeitstyps, und das Substrat 10 und die Mehrzahl von Zonen des das vergrabene Gate bildenden Gategitters 30 wären aus Siliciumcarbid mit p-Leitfähigkeit. In einem solchen feldgesteuerten p-n-Bipolarschalter wäre der zweite ohmsche Kontakt 40 der Anodenkontakt und der erste ohmsche Kontakt 42 der Kathodenkontakt.
In dieser Ausgestaltung sind das Gategitter 30, das das vergrabene Gate des feldgesteuerten Bipolarschalters bildet, und das Substrat 10 vorzugsweise aus Siliciumcarbid mit p⁺ Leitfähigkeit. Die hierin verwendeten Bezeichnungen „n⁺" und „p⁺" beziehen sich auf Zonen, die durch eine höhere Trägerkonzentration definiert werden als die, die in benachbarten oder anderen Zonen derselben oder einer/eines anderen epitaktischen Schicht oder Substrats vorliegt. Die erste epitaktische Schicht 20 besteht vorzugsweise aus n^– Siliciumcarbid, die vierte epitaktische Schicht 26 besteht vorzugsweise aus n⁺ Siliciumcarbid. Die zweite epitaktische Schicht 22 kann aus leicht dotiertem oder n^– Siliciumcarbid gebildet sein, das eine gleichmäßige tiefere Trägerkonzentration hat als die erste epitaktische Schicht 20. So ist die Mehrzahl der Zonen des Gategitters 30, das das vergrabene Gate bildet, vorzugsweise in der epitaktischen Schicht mit der niedrigsten Trägerkonzentration ausgebildet. Die dritte epitaktische Schicht 24 kann im Wesentlichen dieselbe Trägerkonzentration wie die erste epitaktische Schicht 20 oder im Wesentlichen dieselbe Trägerkonzentration wie die zweite epitaktische Schicht 22 haben.
Für das Bauelement von 1B kann die optionale fünfte epitaktische Schicht 12 eines vierten Leitfähigkeitstyps aus Siliciumcarbid mit p-Leitfähigkeit wie z. B. hochdotiertes p⁺ Siliciumcarbid sein. Eine Tunneldiodenstruktur kann mit dem Bauelement von 1B erzielt werden, indem der erste Leüfähigkeitstyp zu Siliciumcarbid mit n-Leitfähigkeit wie n⁺ Siliciumcarbid gemacht wird. Bei einem solchen Bauelement bilden das Substrat 10 und die fünfte epitaktische Schicht 12 eine Tunneldiode. Diese Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in 5 illustriert.
Die zu den oben beschriebenen Bauelementen komplementären Bauelemente können ebenfalls aus einem n-leitenden Substrat gebildet werden. Für das komplementäre Bauelement sind der erste Leitfähigkeitstyp und der dritte Leitfähigkeitstyp n-leitendes Siliciumcarbid. Siliciumcarbid des zweiten Leitfähigkeitstyps wäre p-leitendes Siliciumcarbid. Somit wären in dem komplementären Bauelement die erste epitaktische Schicht 20, die zweite epitaktische Schicht 22, die dritte epitaktische Schicht 24 und die vierte epitaktische Schicht 26 Siliciumcarbid mit p-Leitfähigkeit, und das Substrat 10 und die Mehrzahl von Zones des das vergrabene Gate bildenden Gategitters 30 wären aus Siliciumcarbid mit n-Leitfähigkeit. Bei diesem komplementären Bauelement wäre der zweite ohmsche Kontakt 40 der Kathodenkontakt und der erste ohmsche Kontakt 42 der Anodenkontakt.
In dieser komplementären Ausgestaltung sind die Mehrzahl der Zonen des Gategitters 30, das das vergrabene Gate des feldgesteuerten Bipolarschalters bildet, und das Substrat 10 vorzugsweise aus Siliciumcarbid mit n+ Leitfähigkeit gebildet. Die erste epitaktische Schicht 20 besteht vorzugsweise aus p^– Siliciumcarbid, die vierte epitaktische Schicht 26 vorzugsweise aus p+ Siliciumcarbid. Die zweite epitaktische Schicht 22 kann aus leichtdotiertem oder p⁺ Siliciumcarbid gebildet sein, hat aber eine niedrigere Trägerkonzentration als die erste epitaktische Schicht 20. So ist die Mehrzahl der Zonen des Gategitters 30, das das vergrabene Gate bildet, vorzugsweise in der epitaktischen Schicht mit der niedrigsten Trägerkonzentration ausgebildet. Die dritte epitaktische Schicht 24 kann im Wesentlichen dieselbe Trägerkonzentration wie die erste epitaktische Schicht 20 oder im Wesentlichen dieselbe Trägerkonzentration wie die zweite epitaktische Schicht 22 haben.
Für das komplementäre Bauelement von 1B kann die optionale fünfte epitaktische Schicht 12 eines vierten Leitfähigkeitstyps ein Siliciumcarbid mit n-Leitfähigkeit wie z. B. hochdotiertes n⁺ Siliciumcarbid sein.
2A illustriert eine weitere Ausgestaltung des feldgesteuerten Hochspannungs-Hochstrom-Bipolarschalters der vorliegenden Erfindung. Wie in 2A zu sehen ist, hat ein massives einkristallines Siliciumcarbidsubstrat 50 eines ersten Leittähigkeitstyps mit einer Oberseite und einer Unterseite eine erste epitaktische Schicht 60 aus Siliciumcarbid eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der Oberseite des Substrats 50 ausgebildet ist. Die zweite epitaktische Schicht 62 aus Siliciumcarbid des zweiten Leitfähigkeitstyps ist auf der ersten epitaktischen Schicht 60 ausgebildet. Eine dritte epitaktische Schicht 64 aus Siliciumcarbid des zweiten Leitfähigkeitstyps ist auf der zweiten epitaktischen Schicht 62 ausgebildet. Wie ebenfalls in 2A zu sehen ist, ist eine vierte epitaktische Schicht 66 aus Siliciumcarbid des zweiten Leitfähigkeitstyps auf der dritten epitaktischen Schicht 64 ausgebildet Diese vierte epitaktische Schicht 66 hat eine höhere Trägerkonzentration als die erste epitaktische Schicht 60, die zweite epitaktische Schicht 62 oder die dritte epitaktische Schicht 64. Eine Mehrzahl von Gräben 74 ist in der dritten und der vierten epitaktischen Schicht 64 und 66 ausgebildet. Eine Mehrzahl von Zonen aus Siliciumcarbid des dritten Leitfähigkeitstyps, die ein Gategitter 70 in der zweiten epitaktischen Schicht 62 bilden, ist am Boden der Mehrzahl von Gräben 74 gebildet.
Wie in 2A zu sehen ist, ist der erste ohmsche Kontakt 82 auf der vierten epitaktischen Schicht gebildet und kann ein Kathoden- oder ein Anodenkontakt sein. Ein zweiter ohmschen Kontakt 80 ist auf der Unterseite des Substrats 50 ausgebildet und kann ebenfalls eine Kathode oder eine Anode sein. Ein ohmschen Gatekontakt ist als Gatekontakt 84 ausgebildet. Der ohmsche Gatekontakt 84 ist auf der Mehrzahl von Zonen des Gategitters 70 ausgebildet, das im Boden der Gräben 74 ausgebildet ist. Dieser ohmsche Gatekontakt 84 ist so gestaltet, dass er die Mehrzahl von Zonen des in der zweiten epitaktischen Schicht 62 gebildeten Gategitters 70 kontaktiert, um den Stromfluss zwischen dem ersten ohmschen Kontakt 82 und dem zweiten ohmschen Kontakt 80 abzuklemmen, wenn eine Vorspannung an den ohmschen Gatekontakt 84 angelegt wird.
2A zeigt auch, dass die epitaktische Struktur bei Bedarf zu einer Mesa 76 mit Seitenwänden 77 geformt ist, die die Peripherie des Bipolarschalters definieren. Die Seitenwände 77 verlaufen vorzugsweise durch die einzelnen epitaktischen Schichten und in das Substrat 50. Bei Bedarf wird eine Isolierschicht 78 an den Seitenwänden der Mesa ausgebildet, um die Seitenwände zu passivieren, und kann auf die exponierten Bereiche aus Siliciumcarbid der Oberseite der Mesa wie z. B. bis zum ersten ohmschen Kontakt 82 und auf die exponierten Bereiche aus Siliciumcarbid an der Basis der Mesa am Substrat 50 verlaufen.
2B illustriert eine alternative Ausgestaltung des feldgesteuerten Bipolarschalters mit vergrabenem Gate der vorliegenden Erfindung. 2B illustriert eine optionale fünfte epitaktische Schicht 52 eines vierten Leitfähigkeitstyps. Die fünfte epitaktische Schicht 52 ist auf der Oberseite des Substrats 50 ausgebildet und zwischen Substrat 50 und erster epitaktischen Schicht 60 angeordnet. Die erste epitaktische Schicht 60 ist somit auf der fünften epitaktischen Schicht 52 ausgebildet.
2B illustriert auch die epitaktische Struktur, die bei Bedarf zu einer Mesa 76 mit Seitenwänden 77 geformt ist, die die Peripherie des Bipolarschalters definieren. Die Seitenwände 77 verlaufen vorzugsweise durch die einzelnen epitaktischen Schichten und in das Substrat 50. Alternativ können die Seitenwände 77 der Mesa 76 durch die erste, zweite, dritte und vierte epitaktische Schicht 60, 62, 64 und 66 und auf oder in die fünfte epitaktische Schicht 52 verlaufen. Die Isolierschicht 78 kann dann an den Seitenwänden der Mesa ausgebildet werden, um die Seitenwände zu passivieren, und kann auf die Oberseite der Mesa und auf die Basis der Mesa verlaufen.
Der Bipolarschalter von 2A kann mit einem Substrat mit p-Leitfähigkeit oder unter Verwendung eines Substrats mit n-Leitfähigkeit ausgebildet werden. In dem Fall, in dem das Substrat 50 aus Siliciumcarbid mit p-Leitfähigkeit gebildet wird, sind der erste und der dritte Leitfähigkeitstyp dann p-leitendes Siliciumcarbid. Das Siliciumcarbid des zweiten Leitfähigkeitstyps wäre n-leitendes Siliciumcarbid. In einem solchen Fall wären die erste epitaktische Schicht 60, die zweite epitaktische Schicht 62, die dritte epitaktische Schicht 64 und die vierte epitaktische Schicht 66 Siliciumcarbid mit n-Leitfähigkeit, und das Substrat 50 und die das vergrabene Gate bildende Mehrzahl von Zonen 70 wären Siliciumcarbid mit p-Leittähigkeit. Bei einem solchen p-n-feldgesteuerten Bipolarschalter wäre der zweite ohmsche Kontakt 80 der Anodenkontakt und der erste ohmsche Kontakt 82 der Kathodenkontakt.
Bei einer solchen Ausgestaltung mit p-leitendem Substrat bestehen die Mehrzahl der Zonen des Gategitters 70, die das vergrabene Gate des feldgesteuerten Bipolarschalters bilden, und das Substrat 50 vorzugsweise aus p+ Siliciumcarbid. Die erste epitaktische Schicht 60 ist vorzugsweise aus n^– Siliciumcarbid gebildet, die vierte epitaktische Schicht 66 besteht vorzugsweise aus n⁺ Siliciumcarbid. Die zweite epitaktische Schicht 62 kann aus leicht dotiertem oder n^– Siliciumcarbid gebildet sein, hat aber eine gleichmäßige niedrigere Trägerkonzentration als die erste epitaktische Schicht 60. Somit ist die Mehrzahl der Zonen 70, die das vergrabene Gate bilden, vorzugsweise in der epitaktischen Schicht mit der niedrigsten Trägerkonzentration ausgebildet. Die dritte epitaktische Schicht 64 kann im Wesentlichen dieselbe Trägerkonzentration wie die erste epitaktische Schicht 60 oder im Wesentlichen dieselbe Trägerkonzentration wie die zweite epitaktische Schicht 62 haben.
Für das Bauelement von 2B kann die optionale fünfte epitaktische Schicht 52 eines vierten Leitfähigkeitstyps ein Siliciumcarbid mit p-Leitfähigkeit wie z. B. hochdotiertes p⁺ Siliciumcarbid sein. Eine Tunneldiodenstruktur kann unter Verwendung des Bauelementes von 2B erzielt werden, indem der erste Leitfähigkeitstyp zu n-leitendem Siliciumcarbid wie n⁺ Siliciumcarbid gemacht wird. Somit bilden das Substrat 50 und die fünfte epitaktische Schicht 52 eine Tunneldiode. Diese Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in 6 illustriert.
Komplementäre Bauelemente können ebenfalls auf einem n-leitenden Substrat gebildet werden. Für diese komplementären Bauelemente sind der erste und der dritte Leitfähigkeitstyp n-leitendes Siliciumcarbid. Das Siliciumcarbid des zweiten Leitfähigkeitstyps wäre p-leitendes Siliciumcarbid. Somit wären im komplementären Bauelement die erste epitaktische Schicht 60, die zweite epitaktische Schicht 62, die dritte epitaktische Schicht 64 und die vierte epitaktische Schicht 66 Siliciumcarbid mit p-Leitfähigkeit, und das Substrat 50 und die Mehrzahl von das vergrabene Gate bildenden Zonen 70 wären Siliciumcarbid mit n-Leitfähigkeit. Bei diesem komplementären Bauelement wäre der zweite ohmsche Kontakt 80 der Kathodenkontakt, und der erste ohmsche Kontakt 82 wäre der Anodenkontakt.
In der komplementären Ausgestaltung des Bauelementes von 2A bestehen die Mehrzahl der Zonen 70, die das vergrabene Gate des feldgesteuerten Bipolarschalters bilden, und das Substrat 50 aus Siliciumcarbid mit n+ Leitfähigkeit. Die erste epitaktische Schicht 60 ist vorzugsweise aus p^– Siliciumcarbid und die vierte epitaktische Schicht 66 vorzugsweise aus p⁺ Siliciumcarbid gebildet. Die zweite epitaktische Schicht 62 kann aus leichtdotiertem oder p^–-Siliciumcarbid gebildet sein, hat aber eine niedrigere Trägerkonzentration als die erste epitaktische Schicht 60. So ist die Mehrzahl der Zonen 70, die das vergrabene Gate bilden, vorzugsweise in der epitaktischen Schicht mit der niedrigsten Trägerkonzentration ausgebildet. Die dritte epitaktische Schicht 64 kann im Wesentlichen dieselbe Trägerkonzentration wie die erste epitaktische Schicht 60 oder im Wesentlichen dieselbe Trägerkonzentration wie die zweite epitaktische Schicht 62 haben.
Für das komplementäre Bauelement von 2B kann die optionale fünfte epitaktische Schicht 52 eines vierten Leitfähigkeitstyps Siliciumcarbid mit n-Leitfähigkeit wie z. B. hochdotiertes n⁺ Siliciumcarbid sein.
3 illustriert eine zusätzliche Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit einem Senkenkontakt. Wie in 3 ersichtlich ist, hat das Bauelement von 1A Zonen 11 aus Siliciumcarbid des ersten Leitfähigkeitstyps, die in dem Substrat 10 an der Basis der Mesa 36 ausgebildet sind. Auf den Zonen 11 aus Siliciumcarbid des ersten Leitfähigkeitstyps sind ohmsche Kontakte 48 ausgebildet, die mit dem zweiten ohmschen Kontakt 40 elektrisch verbunden sind. Das Bauelement von 3 kann in jeder der verschiedenen, für das Bauelement von 1A beschriebenen Leitfähigkeitskombinationen gefertigt werden. Die Zonen 11 sind mit demselben Leitfähigkeitstyp ausgebildet wie das Substrat 10 und haben eine hohe Trägerkonzentration. So wären beispielsweise bei einem p-leitenden Substrat Zonen 11 aus p⁺ Siliciumcarbid, und bei einem Substrat mit n-Leitfähigkeit wären die Zonen 11 aus n⁺ Siliciumcarbid.
Ein Senkenkontakt kann auch mit einem Bauelement mit der optionalen fünften epitaktischen Schicht 12 von 1B ausgebildet sein. In einem solchen Fall ist die Mesa wie oben beschrieben ausgebildet und verläuft auf die oder in die fünfte epitaktische Schicht 12, verläuft aber nicht in das Substrat 10. Ohmsche Kontakte können dann auf der fünften epitaktischen Schicht 12 an der Basis der Seitenwände 37 der Mesa 36 ausgebildet sein.
4 illustriert eine zusätzliche Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit einem Senkenkontakt. Wie in 4 ersichtlich ist, hat das Bauelement von 2A Zonen 51 aus Siliciumcarbid des ersten Leitfähigkeitstyps, die im Substrat 50 an der Basis der Mesa 76 ausgebildet sind. Auf den Zonen 51 aus Siliciumcarbid des ersten Leittähigkeitstyps sind ohmsche Kontakte 88 ausgebildet, die mit dem zweiten ohmschen Kontakt 80 elektrisch verbunden sind. Das Bauelement von 4 kann in jeder der verschiedenen, für das Bauelement von 2A beschriebenen Leitfähigkeitskombinationen erzeugt werden. Die Zonen 51 werden dann mit demselben Leitfähigkeitstyp gebildet wie das Substrat 50 und haben eine hohe Trägerkonzentration. So wären beispielsweise bei einem p-leitenden Substrat die Zonen 51 aus p⁺ Siliciumcarbid, und bei einem Substrat mit n-Leitfähigkeit wären die Zonen 51 aus n⁺ Siliciumcarbid.
Auch ein Senkenkontakt kann mit einem Bauelement mit einer optionalen fünften epitaktischen Schicht 52 von 2B ausgebildet werden. In einem solchen Fall wird die Mesa wie oben beschrieben gebildet und verläuft auf oder in die fünfte epitaktische Schicht 52, verläuft aber nicht in das Substrat 50. Ohmsche Kontakte würden dann auf der fünften epitaktischen Schicht 52 an der Basis der Seitenwände 77 der Mesa 76 ausgebildet.
7 zeigt eine Draufsicht auf die Bauelemente gemäß 1A, 1B, 3 und 5. in 7 zu sehen ist, ist der Bipolarschalter der vorliegenden Erfindung als Mesa 36 mit Seitenwänden 37 ausgebildet. Das vergrabene Gategitter 30, das in 7 durch gestrichelte Linien angedeutet ist, verläuft lotrecht zum Gatekontakt 46, der das Gategitter 30 verbindet, um eine Mehrzahl von verbundenen parallelen Fingern zu erzeugen. Die Mehrzahl von Fingern des Gatekontakts 46 werden in Gräben ausgebildet, die nach unten auf die Oberseite des vergrabenen Gategitters 30 verlaufen, um einen Kontakt mit dem vergrabenen Gategitter 30 zuzulassen. 7 zeigt auch eine Kontaktinsel 47, die auf dem Gatekontakt 46 ausgebildet sein kann, um das Zusammenschalten des Bauelementes gemäß der vorliegenden Erfindung zu erleichtern. 7 illustriert auch den ersten ohmschen Kontakt 42, der ebenfalls aus einer Mehrzahl von Fingern gebildet sein kann. Die Finger des ersten ohmschen Kontaktes 42 können mit den Fingern des Gatekontaktes 46 ineinander greifen. Eine Kontaktinsel 43 kann auch auf dem ersten ohmschen Kontakt 42 ausgebildet sein, um das Zusammenschalten des Bauelementes von 7 zu erleichtern. Für das Bauelement von 3 wäre der Kontakt 46 (in 7 nicht dargestellt), der an der Basis der Mesa 36 ausgebildet ist, gemäß 7 so ausgebildet, dass er die Mesa 36 umringt.
8 zeigt eine Draufsicht auf die Bauelemente gemäß 2A, 2B, 4 und 6. In 8 entspricht das mit 76 bezeichnete Element dem zuvor mit 76 nummerierten Element, das mit 77 bezeichnete Element entspricht dem zuvor mit 77 nummerierten Element, das mit 82 beschriftete Element entspricht dem zuvor mit 82 nummerierten Element, und das mit 84 beschriftete Element entspricht dem zuvor mit 84 nummerierten Element. Gemäß 8 ist der Bipolarschalter der vorliegenden Erfindung als Mesa 76 mit Seitenwänden 77 ausgebildet. Das Gategitter 70 verläuft parallel zum Gatekontakt 84, der das Gategitter 70 verbindet, um eine Mehrzahl von verbundenen parallelen Fingern zu erzeugen. Die Mehrzahl der Finger des Gatekontakts 84 wird dann in den Gräben 74 ausgebildet und ermöglicht einen Kontakt mit dem Gategitter 70. 8 zeigt auch eine Kontaktinsel 85, die auf dem Gatekontakt 84 ausgebildet sein kann, um das Zusammenschalten des Bauelementes gemäß der vorliegenden Erfindung zu erleichtern.
8 illustriert auch den ersten ohmschen Kontakt 82, der eine Mehrzahl von Fingern bilden kann. Die Finger des ersten ohmschen Kontakts 82 können mit den Fingern des Gatekontakts 84 ineinander greifen. In einem solchen Fall umfasst der ohmsche Gatekontakt 84 eine Mehrzahl von auf den ineinander greifenden Fingern des Gategitters 70 ausgebildeten ineinander greifenden Fingern, so dass die Finger des ohmschen Gatekontakts 84 im Wesentlichen parallel zu den Fingern des Gategitters verlaufen. Der erste ohmsche Kontakt 82 würde dann eine Mehrzahl von ineinander greifenden Fingern umfassen, die auf der obersten epitaktischen Schicht ausgebildet sind, und diese wären mit den Fingern des ohmschen Gatekontakts 84 durchsetzt. Eine Kontaktinsel 83 kann auch auf dem ersten ohmschen Kontakt 82 ausgebildet sein, um das Zusammenschalten des Bauelementes von 8 zu erleichtern. Für das Bauelement von 4 würde der an der Basis der Mesa 76 ausgebildete Kontakt 86 (in 8 nicht zu sehen) so ausgebildet, dass er die in 8 gezeigte Mesa 76 umringt.
In jeder der oben beschriebenen Ausgestaltungen können Substrat und epitaktische Schicht aus Siliciumcarbid gebildet sein, das ausgewählt wurde aus der Gruppe bestehend aus 6H, 4H, 15R oder 3C, aber Siliciumcarbid 4H wird für jedes der oben beschriebenen Bauelemente bevorzugt. Das bevorzugte Metall für den Kontakt mit n-leitenden epitaktischen Schichten oder Substraten ist Nickel (Ni). Platin oder Nickel ist zur Bildung von ohmschen Kontakten mit p-leitenden epitaktischen Schichten oder Substraten geeignet. Aluminiumverbindungskontakte können ebenfalls zum Bilden der ohmschen Kontakte der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Es werden zwar diese besonderen Metalle beschrieben, aber es können auch andere Metalle verwendet werden, die der Fachperson bekannt sind und die ohmsche Kontakte mit Siliciumcarbid bilden.
Jetzt wird mit Bezug auf die 1A bis 8 die Herstellung der oben beschriebenen Bauelemente beschrieben. Bei der Herstellung des Bauelementes von 1A mit einem p⁺ Substrat 10 wird eine dicke n^– Schicht 20 auf dem p⁺ Substrat 10 mittels eines epitaktischen Wachstumsprozesses wie dem aufwachsen gelassen, der im US-Patent Nr. 4,912,064 beschrieben ist, dessen Offenbarung hiermit in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Der Anodenkontakt 40 wird am Boden des Substrats 10 durch Ausbilden eines ohmschen Kontaktes mit dem p⁺ Substrat ausgebildet. Eine zweite epitaktische n^– Schicht 22 wird auch auf der ersten epitaktischen n^– Schicht 20 aufwachsen gelassen. Diese zweite epitaktische Schicht 22 kann eine niedrigere Trägerkonzentration haben als die erste epitaktische Schicht 20, oder sie kann dieselbe Trägerkonzentration haben wie die erste epitaktische Schicht 20, und in diesem Fall wird sie als Teil der ersten epitaktischen Schicht 20 ausgebildet. In beiden Fällen wird dann ein tiefes p⁺ implantiertes Gategitter in der zweiten epitaktischen Schicht 22 mit Methoden wie z. B. denen ausgebildet, die im US-Patent Nr. 5,087,576 beschrieben sind, dessen Offenbarung hiermit in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Durch Erzeugen des p⁺ Gategitters 30 in der zweiten epitaktischen Schicht 22 wird eine dritte epitaktische n^– Schicht 24 auf der zweiten epitaktischen Schicht 22 aufwachsen gelassen. Diese dritte epitaktische Schicht 24 kann etwa dieselbe Trägerkonzentration haben wie die erste epitaktische Schicht 20 oder die zweite epitaktische Schicht 22, und sie kann mit demselben epitaktischen Wachstumsprozess wie oben beschrieben erzeugt werden. Nach dem Aufwachsenlassen der dritten epitaktischen Schicht 24 wird mittels des obigen epitaktischen Wachstumsprozesses eine vierte epitaktische Schicht 26 auf der dritten epitaktischen Schicht 24 aufwachsen gelassen. Diese vierte epitaktische Schicht 26 ist eine hochdotierte epitaktische n⁺ Schicht, die einen guten ohmschen Top-Kathoden-Kontakt erleichtert.
Nach dem Aufwachsenlassen aller epitaktischen Schichten werden Gatekontakte durch reaktives Ionenätzen durch die dritte und die vierte epitaktische Schicht 24 und 26 und auf das p+ Gategitter 30 ausgebildet. Für das Bauelement von 1A mit vergrabenem Gategitter wird das Gategitter 30 durch Ätzen einer Mehrzahl von lotrecht zur Richtung des Gategitters verlaufenden Gräben und anschließendes Bilden von ohmschen Kontakten im Boden dieser Gräben kontaktiert. Diese Gräben können mit den im US-Patent Nr. 4,981,551, dessen Offenbarung hiermit in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist, beschriebenen reaktiven Ionenätztechniken ausgebildet werden. Nach dem Ätzen des Bauelementes zum Exponieren von Abschnitten des Gategitters können ohmsche Kontakte für die Kathode und das Gategitter ausgebildet werden, wobei Gategitterkontakte im Boden der Gräben ausgebildet werden, die durch den Ätzprozess erzeugt wurden, und der Kathodenkontakt 42 wird auf der vierten epitaktischen Schicht 26 ausgebildet.
Der Bereich um das Bauelement wird zum Bilden einer Mesa geätzt. Die Mesa verläuft vorzugsweise an der Verarmungszone des Bauelementes vorbei, um den Stromfluss im Bauelement zur Mesa zu begrenzen und die Kapazität des Bauelementes zu reduzieren. Wenn die Verarmungszone des Bauelementes unter das Niveau der Mesa verläuft, breitet sie sich in Bereiche außerhalb der Mesa aus, was zu einer höheren Kapazität führt. Die Mesa wird vorzugsweise durch reaktives Ionenätzen um das oben beschriebene Bauelement ausgebildet, aber auch andere in der Fachwelt bekannte Ausbildungsmethoden können zum Bilden der Mesa eingesetzt werden. Nach dem Bilden der Mesa kann eine Isolierschicht 78, beispielsweise aus Siliciumdioxid, über den exponierten Flächen des Bauelementes ausgebildet werden, einschließlich der Seitenwände der Mesa, um das Bauelement zu passivieren. Während SiO₂ als Isoliermaterial bevorzugt wird, können auch andere der Fachwelt bekannte Isoliermaterialien zum Einsatz kommen.
Das Bauelement von 1B kann durch Ausführen der obigen Schritte hergestellt werden, aber einschließlich des Bildens einer epitaktischen Schicht 12 aus p⁺ Siliciumcarbid auf dem Substrat 10 vor der Bildung der ersten epitaktischen Schicht 20. Das Bauelement von 3 kann durch Erzeugen des Bauelementes von 1A und, vor dem Erzeugen der Isolierschicht, durch Bilden von Zonen aus p⁺ Siliciumcarbid 11 an der Basis der Mesa ausgebildet werden. Dann kann ein ohmscher Kontakt 48 auf diesen Zonen ausgebildet werden, um eine Senkenanode herzustellen. Ferner kann das Bauelement von 1B so modifiziert werden, dass es eine Senkenanode beinhaltet, indem nur die Mesa bis zur p+ Schicht 12 geätzt und dann ein ohmscher Kontakt an der Basis der Mesa gebildet wird. Die zu den oben mit Bezug auf 1A, 1B und 3 beschriebenen komplementären Bauelemente können unter Anwendung des oben beschriebenen Vefahrens hergestellt werden, wobei jedoch n⁺ Siliciumcarbid für p⁺ Siliciumcarbid, p^– Siliciumcarbid für n^– Siliciumcarbid und p+ Siliciumcarbid für n⁺ Siliciumcarbid substituiert werden.
Bei der Herstellung des Bauelementes von 2A mit einem p⁺ Substrat 50 wird eine dicke n^– Schicht 60 auf dem p⁺ Substrat 50 mittels eines epitaktischen Wachstumsprozesses wie dem aufwachsen gelassen, der im US-Patent Nr. 4,912,064 beschrieben ist, dessen Offenbarung hiermit in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Der Anodenkontakt 80 wird am Boden des Substrats 50 durch Bilden eines ohmschen Kontakts mit dem p⁺ Substrat ausgebildet. Eine zweite epitaktische n^– Schicht 62 wird ebenfalls auf der ersten epitaktischen n^– Schicht 60 ausgebildet. Diese zweite epitaktische Schicht 62 kann eine niedrigere Trägerkonzentration haben als die erste epitaktische Schicht 60, oder sie kann dieselbe Trägerkonzentration haben wie die erste epitaktische Schicht 60, und in diesem Fall kann sie als Teil der ersten epitaktischen Schicht 60 ausgebildet werden. Eine dritte epitaktische n⁺ Schicht 64 wird ebenfalls auf der zweiten epitaktischen Schicht 62 aufwachsen gelassen. Diese dritte epitaktische Schicht 64 kann etwa dieselbe Trägerkonzentration haben wie die erste epitaktische Schicht 60 oder die zweite epitaktische Schicht 62, und sie kann mit demselben epitaktischen Wachstumsprozess wie dem oben beschriebenen erzeugt werden. Nach dem Aufwachsenlassen der dritten epitaktischen Schicht 64 wird eine vierte epitaktische Schicht 66 mit dem obigen epitaktischen Wachstumsprozess auf der dritten epitaktischen Schicht 64 aufwachsen gelassen. Diese vierte epitaktische Schicht 66 ist eine hochdotierte epitaktische n⁺ Schicht, die einen guten ohmschen Top-Kathoden-Kontakt erleichtert.
Nach dem Aufwachsenlassen aller epitaktischen Schichten werden Gräben durch die dritte epitaktische Schicht 66 und die vierte epitaktische Schicht 64 geätzt. Diese Gräben können mit den oben mit Bezug auf das US-Patent Nr. 4,981,551 beschriebenen reaktiven Ionenätztechniken ausgebildet werden. Nach dem Ausbilden der Gräben werden p+ Gatezonen an der Basis der Gräben in der zweiten epitaktischen Schicht 62 mit den Ionenimplantationsmethoden des US-Patentes Nr. 5,087,576 ausgebildet. Die Fachperson wird verstehen, dass die Ionenimplantation bei Bedarf vor dem Aufwachsenlassen der dritten epitaktischen Schicht 60 erfolgen kann. In einem solchen Fall müssen die Gräben auf die implantierten Zonen so ausgerichtet werden, dass die Gräben mit den Zonen übereinstimmen, so dass der Boden des Grabens einer implantierten Zone entspricht. Nach dem Ätzen des Bauelementes und dem Erzeugen des Gategitters 70 können ohmsche Kontakte für die Kathode und den Gatekontakt ausgebildet werden, wobei der Gatekontakt im Boden von ionenimplantierten Gräben und der Gatekontakt 82 auf der vierten epitaktischen Schicht 66 ausgebildet werden.
Das gesamte Bauelement wird zum Bilden einer Mesa geätzt. Die Mesa verläuft vorzugsweise an der Verarmungszone des Bauelementes vorbei, um den Stromfluss im Bauelement zur Mesa zu begrenzen und die Kapazität des Bauelementes zu reduzieren. Wenn die Verarmungszone des Bauelementes unter das Niveau der Mesa verläuft, breitet sie sich in Bereiche außerhalb der Mesa aus, was zu einer höheren Kapazität führt. Die Mesa wird vorzugsweise durch reaktives Ionenätzen des oben beschriebenen Bauelementes ausgebildet, aber es können auch andere in der Fachwelt bekannte Methoden zum Bilden der Mesa angewendet werden. Nach dem Bilden der Mesa kann eine Isolierschicht 78, z. B. aus Siliciumdioxid, über den exponierten Flächen des Bauelementes, inklusive der Seitenwände der Mesa, gebildet werden, um das Bauelement zu passivieren. SiO₂ wird zwar als Isoliermaterial bevorzugt, aber es können auch andere in der Fachwelt bekannte Isoliermaterialien verwendet werden.
Das Bauelement von 2B kann durch Ausführen der obigen Schritte, aber einschließlich des Ausbildens einer epitaktischen Schicht 52 aus p⁺ Siliciumcarbid auf dem Substrat 50 vor der Bildung der ersten epitaktischen Schicht 60, erzeugt werden. Das Bauelement von 4 kann durch Erzeugen des Bauelementes von 2A und vor dem Erzeugen der isolierschichtbildenden Zonen aus p⁺ Siliciumcarbid 51 an der Basis der Mesa gebildet werden. Dann kann ein ohmscher Kontakt 88 auf diesen Zonen gebildet werden, um eine Senkenanode zu erzeugen. Ferner kann das Bauelement von 2B so modifiziert werden, dass es eine Senkenanode aufweist, indem nur die Mesa bis zur p⁺ Schicht 52 geätzt und dann ein ohmscher Kontakt an der Basis der Mesa ausgebildet wird. Die komplementären Bauelemente zu den oben mit Bezug auf 2A, 2B und 4 beschriebenen können unter Anwendung der oben beschriebenen Methode erzeugt werden, wobei jedoch n+ Siliciumcarbid für p⁺ Siliciumcarbid, p^– Siliciumcarbid für n^– Siliciumcarbid und p⁺ Siliciumcarbid für n+ Siliciumcarbid substituiert werden.
Die Tunneldiodenbauelemente von 5 und 6 können unter Anwendung der oben jeweils mit Bezug auf 1B und 2B beschriebenen Techniken hergestellt werden, aber für die Tunneldiodenbauelemente bestehen die Substrate 10 und 50 aus n⁺ Siliciumcarbid. Der Rest des Herstellungsverfahrens ist wie oben für die jeweiligen Bauelemente beschrieben.
Die Bildung von ohmschen Kontakten, Mesas und Isolierschichten erfolgt wie hierin mit Bezug auf 2A, 2B, 4 und 6 beschrieben. Ferner können diese Schichten, wie die Fachperson verstehen wird, in dem Ausmaß, dass zwei beliebige benachbarte epitaktische Schichten in den Bauelementen von 1A bis 6 denselben Leitfähigkeitstyp und dieselbe Trägerkonzentration haben, als einzige epitaktische Schicht ausgebildet werden, es sei denn, dass eine solche Ausbildung die Implantation des Gategitters verhindert.
Beim Betrieb sind die Bauelemente der vorliegenden Erfindung normalerweise eingeschaltet und lassen Strom von der Anode zur Kathode des Bauelementes fließen. Wenn eine Vorspannung an das Gategitter angelegt wird, erzeugt sie einen in Rückwärtsrichtung vorgespannten pn-Übergang, der den Stromleitweg zwischen den Elementen des Gategitters abklemmt. Beim Abschalten zieht ein Gatestrom das Elektronenlochplasma in den leitenden Kanal zwischen den Gategitterelementen, so dass das Bauelement befähigt wird, Anode/Kathode-Spannung auszuhalten. Ferner sollen die Bauelemente der vorliegenden Erfindung sehr hohe Durchlassstromdichten durch Minoritätsträgerinjektion in die niedrigdotierte Driftschicht bieten. Diese Bauelemente sollen die Schaltung von Stromdichten von mehr als 500 A/cm² während des Durchlasszustands des Bauelementes ermöglichen. Die Bauelemente sollen auch einen niedrigen Durchlasswiderstand haben.
Mit Bezug auf das n^– Driftzonenbauelement zum Betreiben des Bauelementes im Vorwärtssperrmodus wird eine ausreichend hohe negative Spannung an das Gate angelegt, um eine Potentialschwelle in der n^– Zone zwischen den Gategitterelementen zu bilden, die Stromfluss verhindert. Höhere negative Spannungen am Gate erlauben das Sperren höherer Spannungen an der Anode, bis die maximale Sperrspannungskapazität des Bauelementes erreicht ist. Diese Kapazität wird entweder durch die Gatedurchbruchspannung oder Eigenschaften der ersten epitaktischen Schicht (20, 60) bestimmt. Wenn die Gatespannung von positiv auf negativ in Bezug auf die Kathode umgeschaltet wird, müssen die Träger in der Kanalzone über das Gate extrahiert werden, bevor das Bauelement beginnen kann, Spannung auszuhalten. Während dieser Ladungsextraktion erfolgt ein konstanter Gatestromfluss für eine als Speicherzeit bezeichnete Dauer. Nach Wegnahme der gespeicherten Ladung in dem Kanal entsteht eine Potentialschwelle, so dass das Bauelement Spannung aushalten kann. Danach zerfällt gespeicherte Ladung in der Driftzone durch Trägerrekombination. Dies führt zu einem Rückgang des Anodenstroms in einem als Abfallzeit bezeichneten Zeitintervall. Speicherzeit und Abfallzeit beeinflussen beide die Schaltcharakteristiken des feldgesteuerten Bauelementes und begrenzen die Geschwindigkeit, mit der solche Bauelemente schalten können.
Wie zuvor angegeben, wird die Bildung des p+ Gategitters oder den n+ Gategitters über Ionenimplantation in die niedrigdotierte Sperrschicht erzielt. Für die Ausgestaltungen mit vergrabenem Gate von 1A, 1B, 3 und 5 muss eine weitere niedrigdotierte epitaktische Schicht auf der implantierten Zone aufwachsen gelassen werden, die dick genug ist, um die Sperrvorspannungsverarmungszone zu unterstützen, die dann entsteht, wenn der Gateübergang vorgespannt wird. Die Dicke der nachfolgenden niedrigdotierten Schicht wird durch die beabsichtigte maximale Gatespannung bestimmt. Sie muss dick genug sein, um eine Gate-Top-Elektrodenspannung (Anode oder Kathode, je nach Polarität des Bauelementes) zu unterstützen, die höher ist als die mit s bemessene Höchstspannung des Bauelementes, dividiert durch den nachfolgend beschriebenen Spannungssperrverstärkungsfaktor.
Die kristalline Qualität der ersten epitaktischen Schicht nach der Ionenimplantation muss hoch genug sein, um die Sperrvorspannung. auszuhalten, die zum Abklemmen des Bauelementes an das Gate angelegt wird. Für ein feldgesteuertes Bauelement kann diese Vorspannung bis 50 V erreichen, liegt aber gewöhnlich im Bereich von 10 V bis 20 V. Die Gatespannung, die dem Abklemmen der Zonen zwischen dem Gategitter entspricht, kann näherungsweise anhand der folgenden Gleichung bestimmt werden:
wobei q die Elektronenladung, N_D das Dotierungsniveau der zweiten epitaktischen Zone, S der Spalt zwischen den Elementen des Gategitters, ε_s die Dielektrizitätskonstante von SiC und V_bi das eingebaute Potential des Gateübergangs sind. V_bi wird durch die folgende Gleichung ausgdrückt
wobei k eine Boltzmann s Konstante, T die Temperatur in Kelvin, N_D die n-Zonenkonzentration, N_A die p-Zonenkonzentration und n_i die Eigenkonzentration von SiC sind. Somit kann V durch Wählen des Abstands der Gategitterelemente und der Dotierungskonzentration der Driftzone geregelt werden.
Der Vorwärts-Sperrvorspannungsfaktor des Bauelementes kann näherungsweise anhand der folgenden Gleichung ermittelt werden:
wobei L die Stärke der implantierten Zonen des Gategitters, Wd die Verarmungsbreite des Gateübergangs in der Richtung zur Anode und S der Spalt zwischen den implantierten Zonen des Gategitters sind.
Die Vorwärtsdurchlass-I-V-Beziehung mit minimaler Vorspannung kann näherungsweise mit der folgenden Gleichung errechnet werden:
wobei I_A der Anodenstrom, A der Anodenbereich, D_a der ambipolare Diffusionskoeffizient, n; die Eigenkonzentration von SiC, V_AK die Anoden-Kathoden-Spannung und x_n die Driftzonendicke sind.
Für eine Vorwärtsvorspannung mit einer höheren Rückwärtsgatevorspannung wird Abklemmen eingeführt und eine Potentialschwelle für Elektronen gebildet, die deren Transport von der Kathode zur Anode behindert. Diese Schwelle begrenzt die Elektronenzufuhr und wird zum regelnden Faktor für den Gesamtstrom. Die Schwellenhöhe ϕ_B wird nicht nur durch die Gatespannung gesteuert, sondern kann auch durch einen großen Wert von V_AK gesenkt werden. Die ϕ_B-Abhängigkeit von V_AK wird als statische Induktion bezeichnet und ist von den Abmessungen der Gatestruktur des Bauelements abhängig. In einem solchen Fall kann der Anodenstrom näherungsweise durch die folgende Gleichung errechnet werden:
wobei I der Sättigungsstrom und n und Konstanten für eine bestimmte Bauelementestruktur sind und die Regelung von V_G und V_AK an der Schwellenhöhe anzeigen.
Beim Auswählen zwischen den oben beschriebenen Bauelementen ermöglichen diejenigen der oben beschriebenen Bauelemente, die eine Struktur mit vergrabenem Gate haben, eine effizientere Verwendung der Kathoden/Anoden-Fläche mit konventionellen Herstellungstechniken sowie eine effizientere Gatesteuerung des Stroms, was zu einem niedrigeren Durchlasswiderstand und einem höheren Vorwärts-Sperrspannungsverstärkungsfaktor führt. Mit Bezug auf die oben beschriebenen Bauelemente, bei denen das Gategitter am Boden von Gräben ausgebildet ist, haben die Bauelemente einen niedrigen Gategitterwiderstand, der einen geringeren Gatevorspannungswegnahmeeftekt beim Abschalten bewirkt.
Das Layout der Gate-Kathode- oder Gate-Anode-Metallisierung spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Durchlassspannungsabfalls, der Schaltgeschwindigkeit und des Sperrverstärkungsfaktors des feldgesteuerten Bauelementes. Das Layout dieser Metallisierung sollte gewährleisten, dass der Fluss von Strom über den gesamten Chip des Bauelementes gleichförmig ist. Dies führt zu einem niedrigeren Durchlasswiderstand, zu höheren Schaltgeschwindigkeiten und einem hohen Sperrverstärkungsfaktor. Es können zwar zahlreiche Layout-Schemata mit der vorliegenden Erfindung benutzt werden, aber die Evolventen-Gatestruktur wird bevorzugt. 9 und 10 illustrieren jedoch einfache rechteckige Layout-Schemata, die ebenfalls zum Einsatz kommen können.
Auf der Basis der obigen Erörterung haben die Bauelemente gemäß der vorliegenden Erfindung typischerweise eine niedrigdotierte Zone (Schicht 20 oder Schicht 60) mit einer Gesamtdicke von etwa 10 μ bis etwa 300 μ. Die Dicke der Schichten ist von den gewünschten Durchbruchspannungen abhängig. Der Spalt (S) zwischen den implantierten Zonen oder den Gräben, die das Gategitter der Bauelemente gemäß der vorliegenden Erfindung bilden, sollte so klein wie möglich sein; typische Distanzen liegen zwischen etwa 0,5 μ und etwa 5 μ. Die Breite der Elemente des vergrabenen Gategitters oder der implantierten Zonen des in Gräben ausgebildeten Gategitters kann auch zwischen etwa 0,5 μ und etwa 5 μ liegen. Diese Zonen können in verschiedenen Tiefen in den epitaktischen Schichten mit niedrigeren Trägerkonzentrationen ausgebildet werden. Geeignete Tiefen für das Gategitter liegen zwischen etwa 5 Å und der Dicke der epitaktischen Schicht. Die Dicke oder Tiefe (L) der implantierten Zonen, die das Gategitter umfassen, sollte so groß wie möglich sein, aber 500 Å bis etwa 5 μ können geeignet sein. Geeignete Dicken für die epitaktische Schicht mit hoher Trägerkonzentration, auf der der erste ohmsche Kontakt ausgebildet wird, liegen zwischen etwa 500 Å und etwa 5 μ.
Mit Bezug auf die Dotierung der Zonen und epitaktischen Schichten mit p⁺ oder alternativ n⁺ Leitfähigkeit, diese Zonen sollten so stark wie möglich dotiert werden, ohne zu starke Herstellungsdefekte zu verursachen. Trägerkonzentrationen von mehr als etwa 1 × 10¹⁸ sind für diese Zonen und epitaktischen Schichten geeignet, aber Trägerkonzentrationen von mehr als 1 × 10¹⁸ werden bevorzugt. Geeignete Dotierungsmittel zum Erzeugen von p-leitenden Zonen sind u. a. Aluminium, Bor und Gallium. Geeignete Dotierungsmittel zum Erzeugen der nleitenden Zonen sind u. a. Stickstoff und Phosphor. Aluminium ist das bevorzugte Dotierungsmittel für die p⁺ Zonen, und es wird bevorzugt, dass das Aluminium mit Hochtemperatur-Ionenimplantation wie oben beschrieben und bei Temperaturen zwischen 1000°C und 1500°C in die p+ Zonen implantiert wird. Trägerkonzentrationen von bis zu etwa 3 × 10¹⁷ cm^–3 sind für die epitaktischen n^– oder p^– Schichten geeignet, aber Trägerkonzentrationen von etwa 3 × 10¹⁶ oder weniger werden bevorzugt. Mit Bezug auf die mehreren epitaktischen n^– oder p^– Schichten sind Trägerkonzentrationen von etwa 1 × 10¹³ bis etwa 5 × 10¹⁶ für die erste epitaktische Schicht geeignet, die unterhalb des Gategitters liegt. Trägerkonzentrationen von etwa 1 × 10¹³ bis 1 × 10¹⁶ sind für die zweite epitaktische Schicht geeignet, in der das Gategitter ausgebildet wird. Trägerkonzentrationen von etwa 5 × 10¹⁷ bis etwa 5 × 10¹⁹ sind für die dritte epitaktische Schicht geeignet, die über dem Gategitter liegt. Wie oben erörtert, können die relativen Trägerkonzentrationen zwischen den drei epitaktischen Schichten variiert werden, aber die bevorzugten Trägerkonzentrationen sind 1 × 10¹⁵ für die erste epitaktische Schicht, 1 × 10¹⁴ für die zweite epitaktische Schicht und 5 × 10¹⁵ für die dritte epitaktische Schicht. Somit wird das Gategitter vorzugsweise in der epitaktischen Schicht mit der niedrigsten Trägerkonzentration ausgebildet.
Auf der Basis der obigen Charakteristiken der Bauelemente gemäß der vorliegenden Erfindung haben solche Bauelemente Schaltzeiten zwischen 50 und 500 ns im Vergleich zu den Schaltzeiten von 2 bis 100 μs anderer feldgesteuerter Bauelemente, je nach ihren Nennspannungen. Die Bauelemente der vorliegenden Erfindung sollten Vorwärtsdurchbruchspannungen von bis zu 10.000 V und Rückwärtsdurchbruchspannungen von gleicher Größe aufweisen. Mit den Bauelementen gemäß der vorliegenden Erfindung sollten Sperrverstärkungsfaktoren von 50 oder mehr erreichbar sein. Sperrspannungen von 2000 V sollten daher mit Gatespannungen von nur 40 V erreichbar sein. Diese Bauelemente sollten auch zu Stromdichten von 500 A/cm² oder mehr in der Lage sein. Schließlich sollten diese Bauelemente in der Lage sein, bei Temperaturen von mehr als 400°C zu arbeiten.

Claims

Feldgesteuerter Hochspannungs-Hochstrom-Bipolarschalter, der Folgendes umfasst: ein massives einkristallines Siliciumcarbidsubstrat (10, 50) eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer Oberseite und einer Unterseite, eine erste epitaktische Schicht (20, 60) aus Siliciumcarbid eines zweiten Leitfähigkeitstyps auf dem genannten Substrat (10, 50), eine zweite epitaktische Schicht (22, 62) aus Siliciumcarbid des genannten zweiten Leitfähigkeitsyps auf der genannten ersten epitaktischen Schicht aus Siliciumcarbid (20, 60), wobei die genannte zweite epitaktische Schicht (22, 62) eine geringere Trägerkonzentration hat als die genannte erste epitaktische Schicht (20, 60), eine Mehrzahl von Zonen (30, 70) aus Siliciumcarbid eines dritten Leitfähigkeitstyps, die in der genannten zweiten epitaktischen Schicht (22, 62) gebildet sind, um ein Gategitter in der genannten zweiten epitaktischen Schicht (22, 62) zu bilden, wobei der dritte Leitfähigkeitstyp ein Leitfähigkeitstyp ist, der dem zweiten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, eine dritte epitaktische Schicht (24, 64) aus Siliciumcarbid des genannten zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der genannten zweiten epitaktischen Schicht (22, 62) gebildet ist, eine vierte epitaktische Schicht (26, 66) aus Siliciumcarbid des genannten zweiten Leitfähigkeitstyps auf der genannten dritten epitaktischen Schicht (24, 64), wobei die genannte vierte epitaktische Schicht (26, 66) eine höhere Trägerkonzentration hat als die genannte erste epitaktische Schicht (20, 60), die genannte zweite epitaktische Schicht (22, 62) und die genannte dritte epitaktische Schicht (24, 64), einen ersten ohmschen Kontakt (42, 82) auf der genannten vierten epitaktischen Schicht (26, 66), einen zweiten ohmschen Kontakt (40, 80), der auf der genannten Unterseite des genannten Substrats (10, 50) gebildet ist, und einen ohmschen Gatekontakt (46, 84), der mit dem genannten Gategitter verbunden ist, um den Stromfluss zwischen dem genannten ersten ohmschen Kontakt (42, 82) und dem genannten zweiten ohmschen Kontakt (40, 80) abzuklemmen, wenn eine Vorspannung an den genannten ohmschen Gatekontakt angelegt wird, wobei das Substrat gegenüber der ersten epitaktischen Schicht, die auf dem Substrat ausgebildet ist, vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp ist.
Feldgesteuerter Hochspannungs-Hochstrom-Bipolarschalter, der Folgendes umfasst: ein massives einkristallines Siliciumcarbidsubstrat (10, 50) eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer Oberseite und einer Unterseite, eine erste epitaktische Schicht (20, 60) aus Siliciumcarbid eines zweiten Leitfähigkeitstyps auf dem genannten Substrat (10, 50), eine zweite epitaktische Schicht (22, 62) aus Siliciumcarbid des genannten zweiten Leitfähigkeitstyps auf der genannten ersten epitaktischen Schicht aus Siliciumcarbid (20, 60), wobei die genannte zweite epitaktische Schicht (22, 62) eine niedrigere Trägerkonzentration hat als die genannte erste epitaktische Schicht (20, 60), eine Mehrzahl von Zonen (30, 70) aus Siliciumcarbid eines dritten Leitfähigkeitstyps, die in der genannten zweiten epitaktischen Schicht (22, 62) gebildet sind, um ein Gategitter in der genannten zweiten epitaktischen Schicht (22, 62) zu bilden, wobei der dritte Leitfähigkeitstyp ein gegenüber dem zweiten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzter Leitfähigkeitstyp ist, eine dritte epitaktische Schicht (24, 64) aus Siliciumcarbid des genannten zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der genannten zweiten epitaktischen Schicht (22, 62) ausgebildet ist, eine vierte epitaktische Schicht (26, 66) aus Siliciumcarbid des genannten zweiten Leitfähigkeitstyps auf der genannten dritten epitaktischen Schicht (24, 64), wobei die genannte vierte epitaktische Schicht (26, 66) eine höhere Trägerkonzentration hat als die genannte erste epitaktische Schicht (20, 60), die genannte zweite epitaktische Schicht (22, 62) und die genannte dritte epitaktische Schicht (24, 64), eine fünfte epitaktische Schicht (12, 52) eines vierten Leitfähigkeitstyps, die auf der genannten Oberseite des Substrats (10, 50) gebildet und zwischen dem genannten Substrat (10, 50) und der genannten ersten epitaktischen Schicht (20, 60), die auf der genannten fünften epitaktischen Schicht (12, 52) gebildet ist, angeordnet ist, einen ersten ohmschen Kontakt (42, 82) auf der genannten vierten epitaktischen Schicht (26, 66), einen zweiten ohmschen Kontakt (40, 80), der auf der genannten Unterseite des genannten Substrats (10, 50) gebildet ist, und einen ohmschen Gatekontakt (84), der mit dem genannten Gategitter verbunden ist, um den Stromfluss zwischen dem genannten ersten ohmschen Kontakt (42, 82) und dem genannten zweiten ohmschen Kontakt (40, 80) abzuklemmen, wenn eine Vorspannung an den genannten ohmschen Gatekontakt angelegt wird, wobei das Substrat einen gegenüber der fünften epitaktischen Schicht, die auf dem Substrat gebildet ist, entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hat.
Feldgesteuerter Bipolarschalter nach Anspruch 1 oder 2, der eine Mehrzahl von Gräben (74) beinhaltet, die in der genannten dritten und der genannten vierten epitaktischen Schicht (24, 64, 26, 66) gebildet sind, wobei die genannte Mehrzahl von Zonen aus Siliciumcarbid des genannten dritten Leitfähigkeitstyps (30, 70), die in der genannten zweiten epitaktischen Schicht (22, 62) gebildet sind, am Boden der genannten Mehrzahl von Gräben (74) sind und wobei der genannte ohmsche Gatekontakt (84) einen ohmschen Gatekontakt aufweist, der auf dem Siliciumcarbid (30, 70) des genannten dritten Leitfähigkeitstyps, der in den genannten Gräben (74) gebildet ist, ausgebildet ist.
Feldgesteuerter Bipolarschalter nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die genannte dritte epitaktische Schicht (24, 64) und die genannte erste epitaktische Schicht (20, 60) im Wesentlichen die gleiche Trägerkonzentration haben.
Feldgesteuerter Bipolarschalter nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die genannte dritte epitaktische Schicht (24, 64) und die genannte zweite epitaktische Schicht (22, 62) im Wesentlichen die gleiche Trägerkonzentration haben.
Feldgesteuerter Bipolarschalter nach Anspruch 1, der eine fünfte epitaktische Schicht (12, 52) eines vierten Leitfähigkeitstyps aufweist, die auf der Oberseite des genannten Substrats (10, 50) gebildet ist und zwischen dem genannten Substrat (10, 50) und der genannten ersten epitaktischen Schicht (20, 60), die auf der genannten fünften epitaktischen Schicht (12, 52) ausgebildet ist, angeordnet ist.
Feldgesteuerter Bipolarschalter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der genannte erste Leitfähigkeitstyp und der genannte dritte Leitfähigkeitstyp p-Leitfähigkeit sind und wobei der genannte zweite Leitfähigkeitstyp n-Leitfähigkeit ist und wobei der genannte erste ohmsche Kontakt (42, 82) ein Kathodenkontakt und der genannte zweite ohmsche Kontakt (40, 80) ein Anodenkontakt ist.
Feldgesteuerter Bipolarschalter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der genannte erste Leitfähigkeitstyp und der genannte dritte Leitfähigkeitstyp n-Leitfähigkeit sind und wobei der genannte zweite Leitfähigkeitstyp p-Leitfähigkeit ist und wobei der genannte erste ohmsche Kontakt (42, 82) ein Anodenkontakt ist und der genannte zweite ohmsche Kontakt (40, 80) ein Kathodenkontakt ist.
Feldgesteuerter Bipolarschalter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das genannte Substrat (10, 50) und die genannte erste (20, 60), zweite (22, 62), dritte (24, 64) und vierte (26, 66) epitaktische Schicht eine Mesa (36, 76) mit Seitenwänden (37, 77) bilden, die die Peripherie des genannten Bipolarschalters definieren, wobei die genannten Seitenwände der genannten Mesa nach unten in das genannte Substrat (10, 50) verlaufen.
Feldgesteuerter Bipolarschalter nach einem der vorherigen Ansprüche, der Zonen (11, 51) aus Siliciumcarbid des genannten ersten Leitfähigkeitstyps, die in dem genannten Substrat (10, 50) an der Basis der genannten Mesa gebildet werden, und ohmsche Kontakte (48, 88) beinhaltet, die mit dem genannten zweiten ohmschen Kontakt (40, 80), der auf den genannten Zonen (11, 51) aus Siliciumcarbid des genannten zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet sind, elektrisch verbunden sind.
Feldgesteuerter Bipolarschalter nach Anspruch 2, wobei die genannte erste (20, r), zweite (22, 62), dritte (24, 64), vierte (26, 66) und fünfte (12, 52) epitaktische Schicht eine Mesa mit Seitenwänden bilden, die die Peripherie der genannten Vorrichtung definieren, wobei die genannten Seitenwände der genannten Mesa nach unten durch die erste, zweite, dritte und vierte epitaktische Schicht und in die genannte fünfte epitaktische Schicht verlaufen.
Feldgesteuerter Bipolarschalter nach Anspruch 11, der ohmsche Kontakte (88) auf der genannten fünften epitaktischen Schicht an der Basis der genannten Seitenwände der genannten Mesa beinhaltet, wobei die ohmschen Kontakte elektrisch mit dem genannten zweiten ohmschen Kontakt (40, 80) verbunden sind.
Feldgesteuerter Bipolarschalter nach einem der vorherigen Ansprüche, der eine Isolierschicht (38, 78) beinhaltet, die auf den genannten Seitenwänden der genannten Mesa ausgebildet sind, um die genannten Seitenwände zu passivieren.
Feldgesteuerter Bipolarschalter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das genannte Siliciumcarbid Siliciumcarbid 4N aufweist.
Feldgesteuerter Bipolarschalter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das genannte Gategitter eine Mehrzahl von verbundenen ineinander greifenden Fingern aufweist.
Feldgesteuerter Bipolarschalter nach Anspruch 15, wobei der genannte ohmsche Gatekontakt (84) eine Mehrzahl von ineinander greifenden Fingern aufweist, die auf den genannten ineinander greifenden Fingern des genannten Gategitters angeordnet sind, so dass die genannten Finger des genannten ohmschen Gatekontaktes (84) im Wesentlichen parallel zu den genannten Fingern des genannten Gategitters sind, und wobei der genannte erste ohmsche Kontakt (42, 82) eine Mehrzahl von ineinander greifenden Fingern aufweist, die auf der genannten vierten epitaktischen Schicht (26, 66) gebildet sind und die mit den Fingern des genannten ohmschen Gatekontaktes (84) durchsetzt sind.