具有过载电流承载能力的半导体器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本说明书涉及半导体器件的实施例、包括半导体器件和栅极驱动器的电路布置的实施例以及进一步涉及操作半导体器件的方法的实施例。特别地，本说明书涉及反向导通绝缘栅双极晶体管(在下文中也被称为“RC-1GBT”)的实施例，并且涉及允许传导过载电流(诸如，反向方向上的过载电流)的金属氧化物半导体控制二极管(在下文中也被称为“M0S控制二极管”或“MCD” )的实施例。
【背景技术】
[0002]汽车，消费和工业应用中的现代设备的许多功能(诸如，转换电能和驱动电动马达或电机)依赖半导体器件。例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)和二极管已经用于各种应用，包含但不限于电源和电源转换器中的开关。
[0003]所述应用的具体示例是所谓的高压直流(HVDC)输电。这种能量传输可以用于在几公里甚至几百公里的大距离内输送大量的电功率。简而言之，交流电(AC)或相应地是交流电压由AC发电机诸如风力涡轮机生成。在转换成高压电平之后，通过换流站将AC电压/AC电流整流成直流(DC)或相应地转换成DC电压。DC电压/电流被馈送到HVDC输电线中。在HVDC输电线的接收端处，可以安装进一步换流站用于将所接收的DC能量转换成AC能量以便进一步配电。
[0004]一种方案是在这样的换流站中使用反向导通IGBT(RC-1GBT)。
【发明内容】
[0005]根据实施例，提供半导体器件。半导体器件包括半导体区域，其中半导体区域呈现第一导电类型的电荷载流子。半导体器件进一步包括被包含在半导体区域中的晶体管单元和被包含在晶体管单元中的半导体沟道区域。半导体沟道区呈现与第一导电类型互补的第二导电类型的第一掺杂浓度的电荷载流子。半导体沟道区域和半导体区域之间的过渡区形成第一 pn结。半导体区域进一步包含半导体辅助区域，其不同于半导体沟道区域并且呈现第二导电类型的第二掺杂浓度的电荷载流子。第二掺杂浓度是第一掺杂浓度的至少130%。半导体辅助区域和半导体区域之间的过渡区形成第二 pn结，第二 pn结在半导体区域中被定位成与第一pn结相比一样深或更深。与半导体器件的任何其他半导体区域相比，半导体辅助区域进一步被定位成最接近半导体沟道区域，该半导体器件的任何其他半导体区域包括第二导电类型的电荷载流子，并且与半导体区域形成进一步的pn结。半导体器件进一步被包含在半导体区域中的二极管单元，该二极管单元包含半导体阳极区域，其中半导体阳极区域呈现第二导电类型的第三掺杂浓度的电荷载流子，并且其中第二掺杂浓度高于第三掺杂浓度。
[0006]根据进一步实施例，提供进一步半导体器件。进一步半导体器件可操作在正向电流模式和反向电流模式中的至少一个中，并且配置用于在正向电流模式期间传导正向方向上的负载电流，以及在反向电流模式期间传导反向方向上的负载电流。半导体器件包括半导体区域和可控电荷载流子注入器。可控电荷载流子注入器配置用于将电荷载流子注入半导体区域中，并且响应于控制信号。可控电荷载流子注入器进一步配置用于将进一步半导体器件设置为，当处于反向电流模式时依赖于控制信号进入标称状态或进入过载状态。在标称状态下，可控电荷载流子注入器配置用于诱发半导体区域内的第一电荷载流子密度，以便允许半导体区域传导反向方向上的标称负载电流。在过载状态下，可控电荷载流子注入器配置用于诱发半导体区域内的第二电荷载流子密度，以便允许半导体区域传导反向方向上的过载电流。第二电荷载流子密度高于第一电荷载流子密度。
[0007]根据另一实施例，提供电路布置。电路布置包括半导体器件和操作地耦合到半导体器件的栅极驱动器。半导体器件可操作在正向电流模式和反向电流模式中的至少一个中，并且包括半导体区域和可控电荷载流子注入器，其中所述可控电荷载流子注入器配置用于将电荷载流子注入到半导体区域中。半导体器件进一步包括栅极电极，其中栅极电极电耦合到可控电荷载流子注入器，并且配置用于接收栅极信号。栅极驱动器包含过载电流检测器，其配置用于检测由半导体区域11传导的反向方向上的负载电流是否超过阈值。栅极驱动器还包括用于生成所述栅极信号的栅极信号发生器。栅极信号发生器操作地耦合到过载电流检测器。进一步，栅极信号发生器配置为，如果过载电流检测器指示反向方向上的当前负载电流不超过阈值，则通过将标称电压范围内的电压提供给栅极信号使得栅极电极引起电荷载流子注入器诱发半导体区域内的第一电荷载流子密度而在标称状态下操作半导体器件，以便允许半导体区域传导反向方向上的标称负载电流。如果过载电流检测器指示反向方向上的负载电流超过阈值，则栅极信号发生器配置用于通过将过载电压范围内的电压提供给栅极信号使得栅极电极引起电荷载流子注入器诱发半导体区域内的第二电荷载流子密度而在过载状态下操作半导体器件，以便允许半导体区域传导反向方向上的过载电流，其中第二电荷载流子密度高于第一电荷载流子密度。
[0008]根据又一实施例，提出操作半导体器件的方法。半导体器件可操作在正向电流模式和反向电流模式中的至少一个中，并且包括半导体区域、可控电荷载流子注入器、其配置用于注入电荷载流子到半导体区域中。半导体器件进一步包括栅极电极，该栅极电极电耦合到可控电荷载流子注入器，并且配置用于接收栅极信号。方法包括以下步骤:检测在反向电流模式下由半导体区域传导的反向方向上的负载电流是否超过阈值;如果反向方向上的当前负载电流不超过阈值，则通过将标称电压范围内的电压提供给栅极信号使得栅极电极引起电荷载流子注入器诱发半导体区域内的第一电荷载流子密度而在标称状态下操作半导体器件，以便允许半导体区域传导反向方向上的标称负载电流;如果反向方向上的当前负载电流超过阈值，则通过将过载电压范围内的电压提供给栅极信号使得栅极电极引起电荷载流子注入器诱发半导体区域内的第二电荷载流子密度而在过载状态下操作半导体器件，以便允许半导体区域传导反向方向上的过载电流，其中第二电荷载流子密度高于第一电荷载流子密度。
[0009]本领域技术人员在阅读下面的详细描述并查看附图时，将认识到附加的特征和优势。
【附图说明】
[0010]附图中的部件不必成比例，而是重点放在说明本发明的原理。此外，在附图中，同样的参考数字指定对应的部件。在附图中:
图1示意性图示根据一个或多个实施例的半导体器件的垂直横截面的区段；
图2示意性图示根据一个或多个实施例的半导体器件的垂直横截面的区段；
图3示意性图示根据一个或多个实施例的半导体器件的垂直横截面的区段；
图4以透视图示意性图示根据一个或多个实施例的半导体器件的垂直横截面的区段； 图5以透视图示意性图示根据一个或多个实施例的半导体器件的垂直横截面的区段； 图6示意性图示根据一个或多个实施例的电路布置的电路图；
图7示意性图示根据一个或多个实施例的操作半导体器件的方法的流程图；
图8示意性和示范性图示指示依赖于栅极信号电压的被包含在处于反向电流模式的半导体器件的电荷量；
图9A-D示意性和示范性图示根据一个或多个实施例的操作电路布置的方法；
图10示意性和示范性图示根据一个或多个实施例的电路布置的电路图；
图11示意性图示电源转换器的区段的电路图。
【具体实施方式】
[0011]在下面的详细描述中，参考附图，附图形成该描述的部分并且在附图中通过图示的方式示出其中可以实践本发明的具体实施例。
[0012]在这点上，可以参考正被描述的附图的定向来使用方向术语，诸如“顶”、“底”、“下”、“前”、“后”、“背”、“首”、“尾”等。因为可以以多个不同的定向将实施例的部件定位，所以方向术语为了图示的目的而使用，并绝非加以限制。要理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其它实施例并且可以做出结构或逻辑的改变。因此，下面的详细描述不是以限制的意义做出，并且本公开的范围由所附权利要求来限定。
[0013]现在将详细参考各种实施例，各种实施例的一个或多个示例被图示在附图中。每个示例都是通过解释的方式提供的，并且不意味着作为本发明的限制。例如，图示或描述为一个实施例的部分的特征可以用在其他实施例上或与其他实施例结合使用，以产生又进一步实施例。旨在本发明包含这样的修改和变型。使用具有语言来描述实施例，这不应被解释为限制所附权利要求的范围。附图不是成比例的，并且仅用于说明目的。为了清楚起见，相同的元件或制造步骤已经通过在不同附图中的相同标记来指定，如果没有另外声明。
[0014]如在本说明书中使用的术语“水平的”旨在描述基本上平行于半导体衬底或半导体区域的水平表面的定向。这可以是例如晶片或管芯的表面。
[0015]如在本说明书中使用的术语“垂直的”旨在描述基本上布置为垂直于水平表面，SP平行于半导体衬底或半导体区域的表面的法线方向的定向。
[0016]在本说明书中，η掺杂被称为“第一导电类型”，而P掺杂被称为“第二导电类型”。替代地，相反的掺杂关系可以被采用，使得第一导电类型可以是P掺杂的，并且第二导电类型可以是η惨杂的。
[0017]在本说明书的上下文中，术语“处于欧姆接触”、“处于电接触”、“处于欧姆连接”和“电连接”旨在描述半导体器件的两个区域、区段、部分或部件之间或者一个或多个器件的不同端子之间或者半导体器件的端子或金属化部或电极和部分或部件之间存在低欧姆电连接或低欧姆电流路径。进一步，在本说明书的上下文中，术语“处于接触”旨在描述在相应半导体器件的两个元件之间存在直接物理连接;例如，处于彼此接触的两个元件之间的过渡区可以不包含进一步中间元件等。
[0018]在本说明书中描述的具体实施例涉及而不限于单片集成RC-1GBT或单片集成MCD，例如，单片集成功率RC-1GBT或单片集成功率MCD，其可以被使用在电气电源转换器例如用于HVDC应用的电气电源转换器内。例如，在单片集成RC-1GBT中，晶体管区段和二极管区段两者可以被实施在共同芯片上。然而，应当理解的是，根据本说明书中描述的一个或多个实施例，RC-1GBT的晶体管区段和二极管区段可以被布置在彼此分离的芯片上。分离的二极管区段可以被视为MCD。
[0019]如本说明书内使用的，术语“正向电流”可以是在一个方向上流过半导体器件(例如，从半导体器件的背面流到半导体器件的正面)的电流。这样的正向电流可以例如借助于半导体器件的晶体管单元来承载。进一步，如本说明书内使用的，术语“反向电流”可以是在另一方向上流过半导体器件(例如，从半导体器件的正面流到半导体器件的背面)的电流。例如，这样的反向电流可以通过二极管单元和/或通过半导体器件的辅助单元来承载，如将在下面更详细地解释的那样。在某些实施例中，半导体器件可以配置用于承载正向电流和反向电流两者。换言之，例如，如果半导体器件是RC-1GBT，则可以在正向电流模式和反向电流模式两者下操作半导体器件。在其他实施例中，例如，如果半导体器件是MCD，半导体器件可以仅配置用于承载单一方向(诸如，相反方向)上的负载电流并且不承载正向电流。换言之，如在本说明书内使用的术语“反向电流”或相应地是“反向电流模式”可以指代对于MCD是典型的负载电流方向，例如，在技术电流方向方面从MCD的阳极区段流到MCD的阴极区域的负载电流。因此，应当理解的是，在本说明书内，术语“反向电流”通常指代由MCD或相应地由RC-1GBT的二极管区段承载的负载电流。因此，当目前仅对MCD而言时，术语“反向电流”用于描述在从阳极区段到阴极区域的方向上流动的负载电流，即使这样的负载电流方向会通常不被描述为反向电流，而被描述为MCD的正向电流。
[0020]如在本说明书中使用的术语“功率半导体器件”旨在描述单一芯片上的具有高电压阻断和/或高电流承载能力的半导体器件。换言之，所述功率半导体器件旨在用于通常处于安培范围(例如，高达几百安培)的高电流和/或通常高于1000 V、更通常为6000 V及以上的高电压。
[0021]例如，功率半导体器件可以用于所谓的高压直流(HVDC)输电应用。这种能量传输可以在几公里甚至几百公里的大距离内用于输送大量的电功率。简而言之，交流电(AC)或相应地是交流电压通过诸如风力涡轮机的AC发电机来生成。在转换成高压电平之后，通过换流站将AC电压/AC电流整流成直流(DC)或相应地整流成DC电压。DC电压/电流被馈送到HVDC输电线中。在HVDC输电线的接收端处，可以安装进一步换流站用于将接收的DC能量转换成AC能量用于进一步配电。
[0022]一种方案是使用这样的换流站中的RC-1GBT。例如，图11示意性图示电源转换器5的区段的电路图，其将在以下被简要讨论:功率转换器5呈现所谓的模块化多电平转换器(MMC)拓扑C3MMC拓扑一般适合于HVDC输电中的应用。电源转换器5包括转换器支路，其包含第一RC-1GBT 51和第二RC-1GBT 52。转换器支路被耦合到AC端子55-1和55-2，用于接收和/或输出AC电压。在另一侧上，转换器支路被耦合到DC端子，例如耦合到电容器53，该电容器53可以用于缓冲由第一RC-1GBT 51和第二RC-1GBT 52整流的DC电压或相应地用于缓冲要由第一RC-1GBT 51和第二RC-1GBT 52倒置的DC电压。
[0023]第一RC-1GBT51包括第一晶体管511和第一二极管512，其中，这两个部件可以被实施在共同的芯片上。相应地，第二RC-1GBT 52包括第二晶体管521和第二二极管522，其中，这两个部件也可以被实施在共同的芯片上。也被称为“续流二极管”(FWD)的第一二极管511和第二二