专利名称：可切断的半导体器件及带有此器件的电路布置的制作方法
技术领域：
本发明涉半导体器件领域。特别涉及一种场控闸流晶体管式(FCTh＝场控闸流晶体管)的可切断半导体器件，具有一个阳极，一个阴极和一个栅极，在阳极和阴极之间包括-一个P-型导电阳极层，-一个位于P-型导电阳极层上的n-型导电沟道层，和-多个在阴极面上交替布置的n-型导电的阴极区和P-型导电的栅极区，此处-栅极区经过沟道底部延伸，并-在预先确定的沟壁中部构成空间电荷区，它伸入指状阴极内的沟道层中，在每个指状阴极内构成场效应可控长沟道。
本发明还涉及一种带有闸流晶体管级联的第一电路布置，该电路布置中，其闸流管级联包括作为主闸流晶体管的第一FCTh，和作为控制闸流管的第二FCTh。本发明也涉及带有一个FCTh和控制装置的第二种电路布置。
上述的场控闸流管(FCTh)，如
图1所示，已在1986年国际电子器件会议(IEDM)文集110-113页由H.Grüning等人的文章中描述过。
这种FCTh的特性在于，指状阴极的侧壁象栅极区一样在沟底掺杂，并能通过在整个指状阴极区构成的沟道(长沟道)使器件得到控制。
在器件接通状态(ON_状态)下，只有P-i-n-结构有效，也就是说，是一种简单的二极管结构。因此，既不需要一个使器件接通的触发电流，也不需要一个使器件保持在接通状态的保持电流。这种FCTh象每一种二极管一样，当栅极和阴极短路时，它是接通的(正常接通)。
在切断时，由于沟道区内存在的空穴超过栅极被吸走，而电子由于场效应被排除，因此借助于负的栅极电压首先消除了指状阴极。接着正如GTO(闸门电路断开)一样，其体积能承受一个反向电压。
这种形式的FCTh的特殊优点是-在接通状态，由于两侧的载流子注入，使损耗小;
-宽的安全工作区，工作时无需缓冲布线;
-减少了断路时的短电流脉冲控制;和-具有约30微米宽和深的指状阴极以及沟道的精密度较差的(相对于绝缘栅双极型晶体管-IGBT而言)结构。
另一方面，还应考虑到已知形式的FCTh在接通状态下缺乏控制，和在无缓冲布线情况下维持工作，其断路电流增益小于1。
因此，关于正常接通状态下的FCTh的实际应用，在老的欧洲专利申请87106366.5中(相应的美国专利申请序号为87/046319)提出了闸流晶体管一级联式的特殊控制电路(图2)，这种电路是既考虑了器件的上述优点也考虑了器件的缺点的最佳方案。
仅管这种在先申请的级联电路是正常接通的FCTh应用的最佳方案，但是，它有一个与器件的正常接通特性直接相关的重要缺陷，这就是，要使上述的FCTh一级联的控制闸流晶体管工作，必须使其保持在断开状态(OFF-状态);这就需要附加一个负电压(图2中的u2)，因此，电路布置从整体上说是相当的昂贵。
本发明的目的是提供一种FCTh，它克服了正常接通特性所带来的限制，并提供了使这种FCTh工作的有关的简化了的电路布置。
用下述方式来解决上述的FCTh存在的缺陷，当栅极和阴极间短路时，空间电荷区伸入指状阴极内的沟道区中，使长沟道隔断。
根据本发明的第一种电路布置，其特征在于，第二个FCTh是按本发明的一种可以切断的半导体器件。
根据本发明的第二种电路布置，其特征在于-FCTh是按本发明的可切断的半导体器件，和-包括晶体管的控制装置。
本发明的核心是，提供一种正常-断开-FCTh，用适当的掺杂和合符要求的栅极-阴极几何形状，使空间电荷区在每一指状阴极的长沟道中集聚，使在栅极-阴极短路时空间电荷区不能进入沟道区中。
按本发明的最佳实施例，在栅极的措施包括，栅极区作为壁层穿过沟壁延伸，并与指状阴极中的n_型导电沟道层构成Pn结。
如果这种正常断开-FCTh作为闸流晶体管级联中的控制闸流管使用，则不需第二个负电压。
如果这种正常断开-FCTh作为主闸流管直接使用(无级联)，则可用一种极简单方式借助场效应管和双极型晶体管进行控制。
本发明的其他实施例构成了从属权利要求。
下面结合实施例和附图对发明进行详细说明。附图图1.是按现有技术的正常-接通-FCTh的透视图;
图2是按老申请的带有FCTh-级联的电路布置;
图3是按本发明实施形式的正常接通-FCTh的剖面图;
图4A是按本发明的闸流晶体管一级联作为变换器电路的电桥桥臂;
图4B是图4A所示电桥桥臂的另一实施例;
图5A-C是带有按发明的FCTh作为主闸流管并在控制装置中带有晶体管的电路布置的各种实施例。
图1中描绘了按照现有技术的正常接通-FCTh的内部结构。
FCTh有一个阳极A，一个阴极K和一个栅极G，它们各有一个金属化层形式的相应的阳极接点11，阴极接点1和栅极接点6。
在阳极A和阴极K之间布置了一系列不同的掺杂层，包括P+掺杂的阳极层10，n-掺杂的沟道层12，以及在阴极边的多层交替布置的n+掺杂的阴极区13，和P-掺杂的栅极区14。
阴极区13位于宽约30微米的窄的指状阴极4的上表面，它们由深的沟道彼此隔开。栅极区14不仅延伸穿过沟底，还作为壁层14a穿过侧壁。
壁层14a包围在沟道层12的各个指状阴极4的部分内，伸至每一个阴极区13。
指状阴极4内，p-掺杂壁层14a和相邻的n-掺杂沟道层12构成Pn结，空间电荷区5伸入沟道层12，并在指状阴极4内构成场效应可控的长沟道。(这儿需要指出的是，场效应可控的长沟道不仅可以在沟壁中跃升了的栅极区中实现，也能用绝缘的场极板或npn-晶体管结构实现，如老的欧洲专利申请87107918.2号所述的内容)根据需要，可以在阳极层10和沟道层12之间预先设置一层n-掺杂的隔音阻挡层9，如图1所示。
栅极区14位于沟底上并与栅极接点6相连。位于指状阴极4上表面上的壁层14a用绝缘的Sio2层3复盖，而阴极区13与阴极金属化层2连接。阴极金属化层2与阴极接点1相连。
为了进行保护和绝缘，还预先设置了一层聚酰亚胺钝化层。用边缘沟道8使边缘断开，以提高击穿电压。
这里应该指出的是正如图1所示的例子，指状阴极4没有必需突出于低处的栅极台阶之上。仅仅是将指状阴极之间的沟道蚀刻进基片中，也能使器件变得同样好，此外，也能使器件在阴极边做成平面式(请参鸈P-0243684)。
图1的正常接通-FCTh的几何尺寸(几何尺寸和掺杂浓度)，特别是栅极-阴极结构的范围可以从EP-A20178387中得知，其特征值为指状阴极4的宽度30微米壁层14a的深度5微米沟道层12的基本掺杂浓度 2×1013厘米-3壁层掺杂浓度 1016厘米-3当达到这些原始参数时，图1中虚线所标示的空间电荷区5不大可能深入指状阴极4的沟道层中，使长沟道完全消除，并阻止载流子注入，当栅极G和阴极K短路时，器件具有所述的正常接通特性。
正是这种特性，才导出了如上述的老申请中所描述的，图2所示的FCTh_级联电路。
在该电路中，作为主闸流管的第一个正常接通-FCThTh1和作为控制闸流管的第二个正常接通-FCThTh2构成级联。
主闸流管Th1与负载电阻R2串联，使负载电压u2的正极与地接通，它的阴极K1接地，其阳极加相应的正电压。
主闸流管Th1的栅极G1一端通过一个电阻R4接地，另一端直接与控制闸流管Th2的阳极A2连接。
控制闸流管Th2的阳极K2通过串联电阻R3同第一个负的供电电压相连，K2还通过电容器C2与地相连，并通过电阻R2接到控制闸流管Th2的栅极G2上。
在输入端预先设置了一个光电耦合器15作为控制装置，它的输入端有一个LED16(发光二极管)，在输出端有一个光电晶体管17。
控制闸流管Th2的栅极G2接到光电晶体管的集电极上，而它的发射极通过另一个串联电阻R1用第二个负的供电电压供电，同时还通过电容器C1接地。
该电路的元件参数如下R11KΩ C110μFR210KΩ G2100μFR3100Ω u1-60VR44.7KΩ u2-80V电路的功能解释如下当控制闸流管Th2断开和翻转时，主闸流管Th1总是接通的。
只要LED(发光二极管)16上没加上输入信号，光电耦合器15的光电晶体管17就断开，控制闸流管Th2的阴极K2和栅极G2差不多处于同一电位，Th2作为正常接通器件就是接通的。
当控制闸流管Th2接通时，全部电源电压u1的-60伏就全部加在主闸流管Th1的栅极G1上，也就是说Th1被截止。
当光电晶体管17通过LED16接通时，首先有一个短的电流脉冲通过控制闸流管Th2的栅极G2，消除栅极-阴极区中的阻挡层电荷。在控制闸流管Th2的栅极G2和阴极K2之间加-20伏电压，控制闸流管Th2截止。主闸流管Th1的栅极-阴极之间相应的阻挡层电容通过电阻R4放电，并以栅极电流形式在接通时从Th1流出。
在稳定状态下，主闸流管Th1最后流过负载电流，并且在栅极G1和阴极K1之间有大约1伏的正电压，流出的电流通过阳极A1，使Th2保持截止。
光电晶体管17断开时，在一个短时间的过渡之后，又达到另一稳定状态，此时主闸流管Th1截止，控制闸流管Th2导通。
从上述的工作状态可以看出，为了保证两个正常接通FCTh组成的级联电路的安全工作，需要有两个不同的负的电源电压u1和u2。
要设置两个电源电压u1和u2就会增加电源上的电路技术上的费用。如果用本发明提供的FCTh作为控制闸流管Th2，则会免去这笔费用。
按本发明的FCTh可以用图3说明，图3是带有许多指状阴极4的闸流管的部分剖面图。
图3所示的FCTh，其结构上与图1所示的现有的FCTh基本相同(当然，为了简化，在图3中完全未画阻挡隔离层9)。
关键的差别在于各层的几何尺寸，特别是栅极-阴极区的各层的几几何尺寸，图1所示的已知FCTh，其空间电荷区5仅仅将指状阴极4中的沟道区变窄，当栅极和阴极处于相同电位时，沟道才扎断，当对着阴极的栅极加有足够的负的电源电压时，按本发明的FCTh的指状阴极区的大小就确定了，在栅极与阴极之间短路时，空间电荷区5就大体上伸进了指状阴极的沟道层中，使长沟道截断。
图3的简化情况会出现以下情况指状阴极中对着放置的空间电荷区至少与指状阴极的中间部分接触，使指状阴极中沟道层区被电子完全排空，但电子空缺也同时抑制了来自阳极层10的空穴注入，一旦栅极与阴极短路，器件就被截止。
图3中所示的空间电荷区的结构，可以用各种路径实现-当所有各层的掺杂浓度始终不变，而且壁层14a的厚度也始终不变时，指状阴极4的宽度(因为沟道宽度包含在指状阴极4之内)一般说来可以减小，直到空间电荷区5相互接触或穿透;
-当几何尺寸始终不变时，沟道层12中的掺杂浓度一般说来可以减小，直到空间电荷区5足够深而能互相接触为止，-所有各层的掺杂浓度和指状阴极4的厚度始终保持不变，壁层14a会相应地深而伸进指状阴极中;或者这些参数中的两个或全部相应地同时变化。
在前面所述参数的基础上，只要使沟道层12的杂质浓度从2×1013厘米-3降到1×1013厘米-3，就可以将图1所示的正常接通FCTh改变成正常断开的FCTh。
在其他情况，所采取的措施是，栅极区14的壁层14a不包括在沟道壁中，而是对绝缘的场极板或晶体管结构采取了相应的措施，使空间电荷区以合适的形式出现。
下面参考图4A对本发明的正常断开FCTh在电路技术应用中的优点详细说明。图4A是带两个很大程度上完全一致的两个半桥的变换器的电桥桥臂，为了简便，只将上半桥19和控制装置用相关的符号标示，以便进行说明。
半桥19包括从图2中已知的由一个主闸流管Th1(例如，一个正常接通的FCTh)和一个控制闸流管Th2构成的级联电路。它们用一种公知的方式通过电阻R4和电容C2交叉相连。电容器C2还存储电荷，这对于主闸流管Th1的栅极G1的短时间断路电流是必需的。
现在，控制闸流管Th2是按本发明的正常断开的FCTh，当它的栅极G2和阴极K2处于同一电位时，它也是截止的。
在半桥的输入端又有一个光电耦合器15，当光电耦合器的输入端有LED16，如图4A所示的光电耦合器15，其型号为MCL2601，光电耦合器15的输出端包含一个逻辑电路，所需电源电压约+5伏。
光电耦合器15和控制闸流管Th2借助一个辅助件18，由一个单独的电压电源22安全供电，电压电源安装在供电部件20中。
辅助部件18包括一个+5伏的稳压电源21，一个电阻器R7，一个齐纳二极管2D，以及一个二极管D3和电容器C3的并联电路，它们保证安全提供所需的电压电平。
供电部件20包括两个二极管D1.D2，以及由晶体管T1.T2和电阻器R5，R6构成的稳定电流源。
整个电桥的输入端接到一中间电路电压u2 k上，输出端接在带有一负载电感LL和一负载电阻器RL的负载上。图4A中没有画出电桥以适当的方式接到各自的接线上，只是在图的右边用箭头标出。
半桥19的控制可以通过光电耦合器15以常规方式借助控制逻辑电路进行，如同常规的变换器所用的控制方法。
图4A的电路主要是对漂浮的上半桥19的供电问题，而常规的变换器，在电容器C2由上面的电压源22再充电时，上面所述的供电部件中的稳流电源断开。
当外部短路而且变换器起动时，相反地，稳流电源接通。按这种方式，光电耦合器-逻辑电路和电容器C2的供电也保证在临界状况。
图4B中描述了半桥的交替控制。这儿使用了一光电耦合器15，在输出端有一个带跟踪晶体管级25的光电二极管24。
光电耦合器将控制闸流管Th2的栅极G2接正电位，在晶体管级25断开时，电阻器R8接到阴极K2的电位。电阻器R11用作限流电阻。然后，特别布置成这样的结构，当光电耦合器起作用时，半桥内出现的电压跨导可以达到15千伏/微秒。
图4A和B的两种电路的决定性优点是按本发明的正常断开一FCTh作为控制闸流管Th2时，只要一个电源电压，以保证产生级联的接通状态。
按本发明的FCTh还有的主要优点是，当它不作为闸流管级联中的控制闸流管，而是作为主闸流管使用时，这种正常断开的FCTh可以代替GTO(闸门电路断开)，因它可以完全一样的控制，而且它有同样的功能。带有FCTh的电路若能用同样的干扰情况-逻辑电路工作(这种电路为用于GTO电路已经研制成功)，那么，由于FCTh的优点将会使工作参数得到相应的改善。
这种FCTh还可以在无负的电源电压u1的情况下工作这就需要给FCTh装一个包含一个晶体管的控制装置。
图5A-C描述了一种这样简化了的晶体管一场控闸流管(FCTh)-组合的三个实施例。
图5A所示的实施例，是一个正常断开-FCThTh与一个场效应晶体管T3的组合，T3的漏-源极之间与TCTh的栅-阴极之间并联，并与串联连接的电源26和电阻R9并联。
当场效应晶体管T3接通，FCTh的栅极G和阴极K处于同电位时，FCTh处于截止状态。
相反，场效应晶体管T3截止，栅极G由电源26给阴极K正偏压FCTh处于接通状态。
因为，只要使栅极获得正电荷就可以使FCTh接通，因此可以用一个在FCTh接通时提供所需的正脉冲的装置来取代电源26，如带有相应控制的脉冲变压器。为此目的，可以用转换脉冲提供控制信号。
图5C所示的实施例中，描述了一个与图5A进行比较的电路。该电路中的双极型npn-晶体管T5代替了场效应晶体管，它的集电极-发射极极间与串联连接的电源27和电阻R10并联。
图5b所示的实施例中，FCTh的栅极-阴极极间与双极型pnp-晶体管T4的发射极-集电极极间并联。此外，在pnp-晶体管T4的基极与发射极之间装有一个导通方向的已极化二极管D3。当T4的基极上加一个正脉冲时，FCTh只处于接通状态。
为了便于说明，在三个电路实施例的图中均画了相应的控制脉冲。
因为FCTh作为赋有双极型特性和场效应特性的器件，因此控制装置可以带有双极型晶体管以及场效应晶体管，特别有利的是用FCTh与双极型晶体管，场效应晶体管一起构成一个部件单元，将FCTh与晶体管集成在一块公共基片上。
总的来说，本发明提供了一种新器件和一种新电路布置，它一方面体显了FCTh的优点(双极型电荷载流子注入和低功率的场控制)，另一方面可以提供特别简单的电路结构。
权利要求
1.一种场控闸流管(FCTh)式的可切断的半导体器件，具有一个阳极(A)，一个阴极(K)，和一个栅极(G)，在阳极(A)与阴极(K)之间包括(a)一层P-导电的阳极层(10)(b)一层位于艏阒系膎-导电的沟道层(12)，和(c)多个在阴极面上交替布置的n-型导电的阴极区(13)和P-型导电的栅极区(14)，此处，(d)阴极区(13)安置在由沟道相互隔开的指状阴极(4)上。(e)栅极区(14)经过沟道底部延伸，并(f)在预先确定的沟壁中部构成空间电荷区(5)，它在指状阴极(4)内伸入沟道层(12)，在每个指状阴极(4)内构成场可控的长沟道，其特征在于，(g)指状阴极(4)中空间电荷区(5)，在栅极(G)与阴极(K)短路时伸进位于指状阴极(4)内的沟道层中，将长沟道截断。
2.按照权利要求1的可切断半导体器件，其特征在于，空间电荷区(5)在指状阴极(4)内相对放置，在栅极(G)与阴极(K)短路时，整个长沟道内至少相应接触。
3.按权利要求1的可切断半导体器件，其特征在于，在栅极区(14)的措施包括，壁层(14a)穿过沟壁延伸，并与指状阴极(4)内的n-型导电沟导层(12)一起构成Pn结。
4.带有闸流管级联的电路布置，闸流管级联包括作为主闸流管的第一个FCTh(Th1)，和作为控制闸流管的第二个FCTh(Th2)，其特征在于，第二个FCTh(Th2)是按照权利要求1的可切断半导体器件。
5.按照权利要求4的电路布置，其特征在于，(a)第二个FCTh(Th2)的阳极(A2)与第一个FCTh(Th1)的栅极(G1)相连;(b)第二个FCTh(Th2)的阴极(k2)通过电路器(C2)与第一个FCTh(Th1)的阴极(k1)相连;(c)第一个FCTh(Th1)的栅极(G1)通过电阻器(R4)与第一个FCTh(Th1)的阴极(k1)相连;(d)第二个FCTh(Th2)的栅极(G2)与控制装置相连，和(e)控制装置和第二个FCTh(Th2)由电压电源(22)供电。
6.按照权利要求5的电路布置，其特征在于，(a)控制装置包括一个光电耦合器(15)，和(b)闸流管级联在一个变换器一桥式电路中构成一桥臂。
7.带有一个FCTh(Th)和一个控制装置的电路布置，其特征在于，(a)FCTh(Th)是按权利要求1的可切断半导体器件，和(b)控制装置包括晶体管(T3、T4、T5)。
8.按权利要求7的电路布置，其特征在于，(a)晶体管是场效应晶体管(T3);(b)场效应晶体管(T3)的源和漏极布置在FCTh(Th)的阴极(K)和栅极(G)之间，和(c)FCTh(Th)的阴极(K)与栅极(G)之间布置了电压电源(26)和电阻器(R9)构成的串联电路。
9.按权利要求7的电路布置，其特征在于，(a)晶体管是双极型PnP-晶体管(T4);(b)晶体管的发射极与FCTh(Th)的栅极(G)相连，晶体管的集电极与FCTh(Th)的阴极(K)相连，和(c)晶体管的基极与发射极之间布置一个导通方向的包极化的二极管(D3)。
10.按权利要求7的电路布置，其特征是，(a)晶体管是双极型nPn-晶体管(T5);(b)晶体管的集电极与FCTh(Th)的栅极(G)相连，晶体管的发射极与FCTh(Th)的阴极相连，和(c)FCTh(Th)的栅极(G)与阴极(K)之间布置了由电压电源(27)和电阻器(R10)构成的串联电路。
11.按权利要求6的电路布置，其特征在于，FCTh和控制装置的晶体管(T3、T4、T5)集成在一个公共的基片上。仅供审查员先生参阅，不是申请的一部分标准符号一览表1 阴极接点2 阴极金属化层3 SiO2层4 指状阴极5 空间电荷区6 栅极接点7 聚酰亚胺钝化层8 边缘沟道9 阻挡隔离层10 阳极层11 阳极接点12 沟道层13 阴极区14 栅极区14a 壁层15 光电耦合器16 LED(发光二极管)17 光电晶体管18 辅助部件19 半电桥20 供电部件21 稳压源22、26、27 电压电源23 无载运转二极管24 光电二极管25 晶体管级C1-C3电容器R1-R11电阻器T1、T2 晶体管D1-D3二极管Th、Th1、Th2 FCTh(场控闸流管)Ll 负载电感Rl 负载电阻器A、A1、A2 阳极G、G1、G2 栅极K、K1、K2 阴极2D 齐纳二极管U2k 中间电路电压Ul 负载电压T3 场效应晶体管T4 PnP-晶体管T5 nPn-晶体管
全文摘要
在场控闸流管(FCTh)上适当地布置阳极一阴极结构，可以实现正常断开特性，应用这种半导体器件获得了简化的电路布置。
文档编号H03K17/79GK1035205SQ8810821
公开日1989年8月30日 申请日期1988年10月16日 优先权日1987年10月16日
发明者霍斯特·格伦宁 申请人:Bbc勃朗·勃威力有限公司