专利名称：具有可变参数的功率半导体的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率电子器件的领域。其涉及功率半导体器件，尤其涉及权利要求1前序部分所述的功率二极管。
如在所有的半导体中的情况一样，在二极管中也把半导体参数彼此协调，以得到尽可能引人注目的数据。这样的协调举例来说基于-载流子寿命-通过电子、金、铂或者其它的复合中心调节，-轴向或者横向结构的载流子寿命，-特殊地控制边缘区载流子寿命，-影响导通状态等离子分布的均匀型发射区设计，或者-用于电流相关地影响导通状等离子分布的精细结构的发射区构形。
对于二极管来说关断具有重要性。从导通状态向截止状态的过渡产生最大的损耗。
通过相应地设计二极管参数把动态开关损耗降低到最小导致不利的副作用-增加了二极管的导通电压，从而也随带着加大了静态的导通损耗，-从导通态向截止态的过渡，在器件中电荷损尽时阳极电流可以非常快速地降为零，由此产生的非常快速上升的阳极-阴极电压在整流电路中导致高的过电压(＞6kV)，这可以造成各种半导体器件损坏。
很高的工作电压(约3.5至5.kV的DC线电压)要求串联多个二极管。具体的二极管与理想二极管在一定的程度上稍有不同的偏差，从而在二极管与二极管之间产生稍不同的半导体参数。这又导致，当多个半导体串联时从导通到截止的过渡以及后续的关断状态是特别致关重要的-尽管在关断的、截止状态下所有的二极管中的漏电流都相同，但由于二极管的稍有不同的半导体参数，却在各个二极管上的电压载荷量上出现重大的差别，-从导通状态到截止状态过渡的截止延迟从二极管到二极管稍有不同，-二极管内的回流(反向恢复电流)可能突然终止，二极管可产生相应振荡伴随危险的过电压，同时这种终止也是从二极管到二极管稍有不同的。
为了补偿这些影响，在现有技术的整流器电路中与含有多个二极管的串联电路并联无源元件电路，即所谓的缓冲电路。利用其无源元件，该缓冲电路(RC电路)的作用是使得，在二极管的截止过程中和后续的关断状态时，各个二极管的各种半导体参数不会导致各个二极管上有不允许的电压分布。
然而这样的缓冲电路却导致不利的副作用-产生大的损耗，并且还与半导体参数差别较大还是几乎相同无关，-需要有附加耐高压无源元件，从而-显著地提高了电路成本。
该任务通过权利要求1所述的功率半导体器件完成。
本发明的核心在于，功率半导体器件包含用于通过在控制电极中馈入电流动态地影响具有与理想二极管偏离的特征的半导体参数的部件。
以此部件，本发明的功率半导体器件中的漏电流不降低到零，而是可以把它逐渐地上升。以此尽管还是附加地增大了器件中的损耗，但是以这种方式可以得到系列功率半导体器件的各个不同漏电流的最低损耗的匹配，其中所有半导体器件的漏电流都匹配到最大的漏电流。所施加的控制电流是漏电流的数量级。
类似的控制还可以是动态的，从而控制电极还可以补偿反向电流峰值、截止延迟和耗尽电荷的差。此外通过控制电极还可以完全避免现有技术二极管的硬电流斩切。
在功率半导体器件的关断的截止的状态下，可以通过控制电极短时间地馈入最大阴极电流数量级的电流。视整流器的电路而异，把根据本发明的功率半导体器件不只是可以用简单方式串联的单个的器件，而是还可以对与之并联的其它器件的实现补偿功能，例如用作并联的GTO或者IGBT的空程二极管。由于串联的有源功率半导体的串联开关性能差别引起的各个功率半导体上的过压，可以通过本发明所述的功率半导体的短时间电流接收而受到限制。
其它有利的实施形式由从属权利要求得出。
优选的圆盘形构成的半导体本体1可以在两个对置的主面上大面积地通过功率电极接触。在该图中在第一主面下方上有阳极2，而对置地在上方的第二主面上有阴极3。
半导体本体1如同现有技术的功率二极管分成不同导电类型的两个高浓度掺杂区，它们在其相交的面上形成p-n结，在此两个区之一在相交区内有一个低浓度掺杂的中间层，在此层中可以扩散空间电荷区。
第一区含有阳极方的p掺杂的层6，第二区含有内部的n-掺杂的层71和阴极方的n+-掺杂的层72。掺杂的设计优选地选择相应于现有技术的功率二极管(高工作电压、高开关频率和高开关电流)。
阳极方的p掺杂的层6典型地具有5E+17cm-3硼的边缘浓度。阴极方的n+-掺杂的层72有1E+20cm-3磷的边缘浓度。在高耐压的功率二极管中，内部的，内n-掺杂的层71一般地定在4E+12cm-3与1.2E+13cm-3磷之间的掺杂浓度。
根据本发明的功率半导体器件的阴极3划分成单个的岛。在岛之间设有设置在p掺杂层8上的控制电极。控制电极层8完全地嵌入其下方的n+-掺杂的层72。从而在控制电极层8与内部的低浓度掺杂的层71之间有一个高浓度掺杂的区。
控制电极4对阴极3位置下沉。通过压板21和31进行功率电极连接时，把阴极方的所有电极-岛彼此连接到单一的阴极上，而下沉的控制电极4通过绝缘间隙和附加的绝缘层5与压板31保持电绝缘。
在本发明的功率半导体器件的第一实施形式中控制电极4构成精细地分布却连贯地包围阴极-岛3的电极。控制电极4在侧面，例如在主面和相应的压板之间，从器件中引出，并且与外部接线连接(未示出)。
在
图1中用第二主面上方的俯视图示出根据本发明的功率半导体器件的阴极方的，第二主面的可能的结构。阴极-岛3是六边形地构成的，并且由精细构成的控制控制电极4包围。
图3示出图1所示的实施形式的放大截面图，图中示出大面积的六边形的阴极-岛3和在其间的控制电极4。
阴极3和其下的n+-掺杂的层72是大面积地设计的，使得，在工作状态下可以连续地引过全部的负荷电流。阴极3覆盖的面大于控制电极4覆盖的面。阴极3覆盖的面比于控制电极4覆盖的面大至少50％是有利的。
二极管的高浓度掺杂的发射层6和72基本上用公知的掺杂工艺制造，其中p发射区根据优选的方法通过硼注入实现，而n发射区通过通过沉积磷玻璃实现。然而在阴极上控制电极区域内进行一定深度的结构性硅蚀刻，在最后的硅工艺步骤在相同控制电极区域中注入硼并且扩散到所留成的深度。这种p掺杂的控制电极层的制造可以选择性地通过有掩模的注入进行，也可以整个面上地注入进行，这取决于是否要求反向截止的控制电极特性。
因为控制电极8完全嵌入在n+-掺杂阴极方的层72中产生该新颖的二极管结构的主要特征，事实证明用二阶段的步骤把层72构成为双层面是有利的。在此用第一制造工序在阴极方注入磷并且扩散到合适的深度。然后借助于化学沉积磷玻璃设置本来的阴极发射区。然后用让结构性的硅蚀刻完全地穿透高浓度掺杂的本来的阴极发送区并且基本上保留层72的注入部分的方式进行结构性的硅蚀刻较为简单。以此有可能，把控制电极层8在层72的一个部分中构成已知的浓度，并且以此精确地控制控制电极的灵敏度。
金属电极的安设、边缘处理以及可能采用钝化的控制电极区的按照现有技术进行。
由于其下方的，连贯的n+-掺杂的层72，本发明所述的功率半导体器件的P型导电的控制电极层8，即使在截止状态，也总是处于无电场的区中。如果这种n+-掺杂的层全面具有足够良好的横向导电性，控制电极G短路并且与阴极K连接时，本发明所述的功率半导体器件的性能与具有正常的连贯的阴极的现有技术功率二极管相同。
如果在控制电极G与阴极K之间馈入正向的控制电极电流，一部分注入到n+-掺杂的层内的空穴在截止时达到边缘电荷区并且经阳极引出。这导致阳极方电流有控制地上升。这种电流由于精细分布的结构通过有效面积的大部分馈入，也就是几乎均匀地流过器件而不对之造成威协。从控制单元把控制电极的电流只相对二极管正向电压馈入电流。然而在快速电流转换的动态情况下无截止延迟的电流馈入要求相应地低电感性的控制，例如如在EP0 588 026中对GCT所述。
阴极的横向结构设计采用关断性晶闸管(GTO、GCT)的设计，其理想的构形显然不同。在GTO中发射区注入(电子)开始和停止都在阴极段的中心，然而在本发明所述的功率半导体器件中控制电极的注入(空穴)却在控制电极的中心进行。GTO的主要设计规则要求全面相同宽度的阴极段，然而在本发明所述的功率半导体器件设计中理想地具有全面相同宽度的控制电极集流条。此外为了缓和电流负荷GTO的边缘区不设置阴极段，然而在本发明所述的功率半导体器件中边缘区不应当有控制电极区，以使在此不会注入电流。
控制电极结构的精度取决于要馈入的控制电流也取决于为此要求的均匀性。
例如如果只须静态地补偿漏电流，在有的情况下还可以考虑中心的、点状的馈入。这种本发明所述的功率半导体器件的第二实施形式的阴极方的第二主面的结构示于图2的第二主面上方的俯视图。阴极是大面积地构成的并且在其中心包围控制电极4。
没有把控制电极设计成用本发明所述的功率半导体器件作为有源元件去控制或者开关。反之，是把它设计用于影响那些具有偏离理想二极管的特征的参数。
在工作中，本发明所述的功率半导体器件具有各种有利的特性。
与现有技术的二极管相反，本发明所述的功率半导体器件的反向恢复电流可以通过附加的控制电极控制。在控制电极与阴极之间的正向控制电极电流引起阳极电流增加。在半导体有最小的开关损耗的设计时，可以以此把与之关联的快速下降的反向恢复电流借助于控制电极控制，并且均匀地引导到零。从而可以避开整流器电路中的过电压。
在没有控制电极的二极管的串联电路中，在开关过程中各个器件的不同的反向恢复电荷可能在其电压负荷中造成重大的不同并且最终导致损坏。然而在本发明所述的功率半导体器件的串联电路中，在过电压的情况下可以可以控制正向的控制电极，使之在一定的阴极电流下降低阳极-阴极间电压。从而不再需要对功率半导体器件的缓冲器并联电路。尽管二极管控制导致器件中的附加损耗，但是远小于缓冲电路中的附加损耗。缓冲电路是按串联的二极管的最大开关差别设计的，从而与二极管设计无关地产生最大的损耗。
如以上所述，本发明所述的功率半导体器件的控制电极使截止状态的漏电流上升。在多个串联的功率半导体器件静态截止的情况下，各个功率半导体器件的漏电流差别可以借助于控制电极电流补偿。与阳极-阴极电压的瞬时的和静态的最高允许值之间的差成比例的控制电极电流，在本发明所述的功率半导体器件的串联电路中得出均匀的电压分配。这里控制电极电流是在功率半导体器件的漏电流的相同数量级。
在本发明所述的功率半导体器件的截止运行中，还可以短时间地用最大阴极电流的数量级的电流驱动控制电极。这种工作模式提供了把本发明所述的功率半导体器件用作整流器串联电路中的有源功率半导体(IGBT、GTO)的反向并联二极管。这些功率半导体的开关特性稍有差别可能导致大的电压负荷。其电流快速下降的串联的有源半导体可以通过并联本发明所述的功率半导体器件限制过电压。在关断时相用恒定电流加载的有源半导体中，电压上升得过快，反向并联的本发明所述的功率半导体器件可以吸收该电流，从而限制有源半导体上的电压负荷。
本发明所述的功率半导体器件的特性可以借助于既静态工作进行也动态工作进行的测量证实。
图5示出结温度为25℃的条件下，对有4500V/4000A最高允许负荷的根据本发明所述的功率半导体器件的测量结果。该图示出，漏电流Ik与正向控制电极电流IG成正比。放大率稍微与温度相关。
在无控制电极的现有技术二极管的串联电路中，可以通过对每个二极管并联一个电阻达到对称的电压分布。把这种电阻值设定成使两个串联的二极管之间的漏电流的最大的差导致有限的二极管电压负荷上升。如同在动态工作的缓冲电路一样，通过静态地用并联电阻均压导致显著的损耗，即使串联的二极管的漏电流没有差别。
使用本发明所述的功率半导体器件获得只有漏电流的差导致整流器中的附加损耗的优点。
为了测量静态的特性，用-2400伏的电压UAK加载于本发明所述的功率半导体器件。从而pn结处于截止状态。用正向的控制电极电流注入载流子并且从而让截止电流上升。图6示出在这种工作方式下的测量结果。在-2400伏的截止电压UAK下通过在控制电极上的正向电压UGK产生的控制电极电流导致150A的截止电流IK。控制电极电流和阴极电流之间的放大倍数约为1。
用本发明所述的功率半导体器件的动态进行类似的测量。本发明所述的功率半导体器件的控制方法可以用于限制反向恢复状态中的串联器件的过电压。
图7示出并联到GCT的本发明所述的功率半导体器件在动态的GCT关断过程中在1500A/3000伏的工作点时的工作状态。在关断过程前和关断过程中都可以用正向的控制电极电流对控制电极进行控制。在图7的上部图表中示出本发明所述的功率半导体的阴极电流和控制极电流以及阳极-阴极电压，下面的图表中示出本发明所述的功率半导体器件的阴极电流和并联的GCT的阳极电流之和。GCT电流特性的过冲尖峰区与此前一个短时间已经灌注过载流子常规PSnN二极管的反向恢复电压对应。在本发明所述的功率半导体器件中电流与栅电流成比例。可以清楚地看到，只要馈入正向的控制电极电流，就可以有目标地控制在过冲峰区控制电流的和，直到可以把它在较长的时间保持恒定的程度。只要控制极电流一下降，尾电流就相应地快速下降到零。
以此方式可以控制本发明所述的功率半导体器件的反向恢复特性。从而可以避免串联电路的过电压。
本发明所述的功率半导体器件还可以用阳极方的控制电极实现。这设置成完全地嵌入p+-掺杂区中的相应的n+-掺杂的控制电极层。
附图标记1半导体2半导体电极，阳极3半导体电极，阴极4控制电极5绝缘6阳极方p+-掺杂的半导体层72阴极方n+-掺杂的半导体层
71夹在中间的内部低浓度n+-掺杂的半导体层8p+-掺杂的控制电极层21、23端接线、压板
权利要求
1.功率半导体器件，特别是功率二极管，包含-半导体本体(1)，具有第一主面和与第一主面对置安排的第二主面，其中所述的半导体本体被划分成两个区(6；71、72)，这里所述两个区的导电类型是不同的并且在结合层面构成pn结，其中两个区的至少一个具有与所述的结合层面相邻接的内区(71)，内区(71)的掺杂浓度低于该区的其余区域(72)的掺杂浓度；-在第一主面上的第一功率电极(2)和在第二主面上的第二功率电极(3)，其中，所述功率电极各至少有一部分覆盖主面并且与相应的一个区(6；71、72)导电连接；其特征在于，-功率半导体器件包含通过在控制电极(4)中馈入电流动态地影响具有与理想二极管偏离的特征的半导体参数的部件。
2.如权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，-动态地影响具有与理想二极管偏离的特征的半导体参数的部件包含至少一个设在控制层(8)上的控制电极(4)，其中，-在第二主面的一部分上至少加入一个控制层(8)，该控制层(8)完全地嵌入在邻接的区(72)中，其中控制层(8)和邻接的区(72)的导电类型是不同的并且在界面上构成一个pn结，并且，如果邻接的区含有低浓度掺杂浓度的内区(71)，则控制层(8)通过邻接该控制层的区(72)的不降低掺杂浓度的层与内区(71)分隔开，并且-直接地在控制层(8)上安排与第二功率电极(3)电绝缘的控制电极(4)。
3.如权利要求2所述的功率半导体器件，其特征在于，-第二功率电极(3)覆盖的面积大于控制电极(4)覆盖的面积。
4.如权利要求2所述的功率半导体器件，其特征在于，-第二功率电极(3)覆盖的面积至少比控制电极(4)覆盖的面积大50％。
5.如权利要求2至4之一所述的功率半导体器件，其特征在于，把控制电极(4)相对于第二功率电极(3)下沉到第二主面中的凹陷中。
6.如权利要求5所述的功率半导体器件，其特征在于，-第二功率电极(3)被划分成多个彼此电绝缘的部分电极，所述的部分电极可以通过导电的压板(31)压接，并且通过这种与压板的接触连接到总电极。
7.如权利要求6所述的功率半导体器件，其特征在于，-下沉地安排的控制电极(4)包围所述部分电极。
8.功率半导体模块，包含-如权利要求1于7之一所述的功率半导体器件，-用于与功率电极(2、3)接触的部件，以及-用于与控制电极(4)接触的部件。
9.如权利要求8所述的功率半导体模块，其特征在于，-用于与功率电极(2、3)接触的部件包含压板(21、31)，该压板压合在功率电极上并且由此导电和导热地与功率电极(2、3)连接。
10.如权利要求8或9所述的功率半导体模块，其特征在于，-用于与控制电极(4)接触的部件包含从该模块侧向引出的控制连接线。
全文摘要
功率半导体器件具有在两个功率电极(2、3)之间的pn结。在两个功率电极之一(3)的区域内安排控制电极(4)。可以通过该控制电极馈入电流，用之可以提高流过功率电极的电流。这可以不附加缓冲电路来防止多个本发明所述的功率半导体器件的串联电路不受到过电压。
文档编号H01L29/861GK1467858SQ0314103
公开日2004年1月14日 申请日期2003年6月10日 优先权日2002年6月10日
发明者P·斯特雷特, O·阿佩尔多恩, P·斯泰默, ┠, P 斯特雷特, 宥 喽 申请人:Abb瑞士有限公司