具有完全耗尽沟道区域的功率半导体器件的制作方法

文档序号:24341473发布日期:2021-03-19 12:23阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种功率半导体器件,包括:

半导体本体,耦合到第一负载端子结构和第二负载端子结构,并且被配置为在所述功率半导体器件的导通状态期间传导负载电流以及在所述功率半导体器件的阻挡状态期间阻挡负载电流;

第一单元和第二单元,每个单元均被配置用于控制所述负载电流,并且每个单元均在一侧上电连接至所述第一负载端子结构且在另一侧上电连接至所述半导体本体的漂移区域,所述漂移区域具有第一导电类型;

第一台面,被包括在所述第一单元中,所述第一台面包括:第一端口区域,具有所述第一导电类型且电连接至所述第一负载端子结构;和第一沟道区域,耦合至所述漂移区域;以及

第二台面,被包括在所述第二单元中,所述第二台面包括:第二端口区域,具有第二导电类型且电连接至所述第一负载端子结构;和第二沟道区域,耦合至所述漂移区域,

其中所述第一单元和所述第二单元被配置为在所述导通状态下完全耗尽所述第二导电类型的移动电荷载流子的所述第一沟道区域和所述第二沟道区域,

其中所述第一单元被配置为在所述导通状态下在所述第一沟道区域中引导出用于所述第一导电类型的移动电荷载流子的电流路径,而在所述阻挡状态下不引导出用于所述第一导电类型的移动电荷载流子的电流路径,

其中所述功率半导体器件被配置为在所述功率半导体器件的切换状态下同时在所述第二沟道区域中引导出用于所述第二导电类型的电荷载流子的导电沟道以及在所述第一沟道区域中引导出用于所述第一导电类型的电荷载流子的电流路径。

2.根据权利要求1所述的功率半导体器件,其中所述半导体本体还包括平坦区域,所述平坦区域具有所述第二导电类型并且布置在所述第二沟道区域和所述半导体漂移区域之间,并且比所述第二台面更深地延伸进入所述半导体本体中,其中在深于所述第二台面布置的部分中,所述平坦区域从所述第二台面朝向所述第一台面横向延伸,并且其中该部分的横向延伸至少为所述第一台面和所述第二台面之间的距离的50%。

3.根据权利要求2所述的功率半导体器件,其中如果在所述第二沟道区域中引导出累积沟道,则所述平坦区域被配置为电耦合至所述第二端口区域。

4.一种功率半导体器件,包括:

半导体本体,其耦合到第一负载端子结构和第二负载端子结构,并且被配置为在所述功率半导体器件的导通状态期间传导负载电流以及在所述功率半导体器件的阻挡状态期间阻挡负载电流;

第一单元和第二单元,每个单元均被配置用于控制所述负载电流,并且每个单元均在一侧电连接至所述第一负载端子结构且在另一侧上电连接至所述半导体本体的漂移区域,所述漂移区域具有第一导电类型;

第一台面,被包括在所述第一单元中,所述第一台面包括:第一端口区域,具有所述第一导电类型且电连接至所述第一负载端子结构;和第一沟道区域,耦合至所述漂移区域,

第二台面,被包括在所述第二单元中,所述第二台面包括:第二端口区域,具有第二导电类型且电连接至所述第一负载端子结构;和第二沟道区域,耦合至所述漂移区域,

其中所述第一单元和所述第二单元被配置为在所述导通状态下完全耗尽所述第二导电类型的移动电荷载流子的所述第一沟道区域和所述第二沟道区域,

其中所述第一单元被配置为在所述导通状态下在所述第一沟道区域中引导出用于所述第一导电类型的移动电荷载流子的电流路径,而在所述阻挡状态下去除用于所述第一导电类型的电荷载流子的所述电流路径。

5.根据权利要求4所述的功率半导体器件,其中所述功率半导体器件被配置为在所述功率半导体器件的切换状态下同时在所述第二沟道区域中引导出用于所述第二导电类型的电荷载流子的导电沟道以及在所述第一沟道区域中引导出用于所述第一导电类型的电荷载流子的电流路径。

6.根据权利要求5所述的功率半导体器件,其中所述第一单元包括第一控制电极,所述第一控制电极与所述第一沟道区域相邻并且被配置为控制在所述第一沟道区域中的用于所述第一导电类型的移动电荷载流子的所述电流路径,其中所述第二单元包括第二控制电极,所述第二控制电极与所述第二沟道区域相邻并被配置为控制在所述第二沟道区域中的用于所述第二导电类型的电荷载流子的所述导电沟道,并且其中所述第一控制电极被配置为防止所述负载电流在所述第一控制电极和所述第一负载端子之间不存在正偏压的情况下在所述第一沟道区域中传导。

7.根据权利要求6所述的功率半导体器件,其中所述第一控制电极所具有的功函不同于所述第二控制电极的功函。

8.根据权利要求7所述的功率半导体器件,其中所述第一控制电极的材料组成不同于所述第二控制电极的材料组成,并且其中所述第一控制电极与所述第二控制电极之间的材料组成的差异至少部分地影响功函的差异。

9.根据权利要求6所述的功率半导体器件,其中所述第一控制电极包括具有所述第二导电类型的多晶材料。

10.根据权利要求6所述的功率半导体器件,其中所述第一控制电极和所述第二控制电极通过公共电连接接收单个控制信号。

11.根据权利要求6所述的功率半导体器件,其中所述第二控制电极的材料组成与所述第一控制电极的材料组成相同。

12.根据权利要求6所述的功率半导体器件,其中所述第一控制电极的功函为至少4.9ev。

13.根据权利要求4所述的功率半导体器件,其中所述第一沟道区域具有所述第一导电类型。

14.根据权利要求13所述的功率半导体器件,其中所述第一台面形成将所述第一负载端子连接至所述漂移区域的所述第一导电类型的完整区域。

15.根据权利要求13所述的功率半导体器件,其中所述第二沟道区域具有所述第二导电类型。

16.根据权利要求4所述的功率半导体器件,还包括设置在所述半导体本体中并具有所述第一导电类型的第一平坦区域,其中所述第一平坦区域在所述第一台面内的上侧处与所述第一沟道区域接触,并且在所述第一台面的下侧和下方处与所述漂移区域接触,并且其中所述第一平坦区域的掺杂浓度基本上等于在所述下侧处的所述漂移区域的掺杂浓度。

17.根据权利要求16所述的功率半导体器件,其中所述第一平坦区域的掺杂浓度基本上等于在所述下侧处的所述漂移区域的掺杂浓度,并且其中所述第一平坦区域的掺杂浓度随着远离所述下侧的移动而增加,以在所述下侧和所述上侧之间的所述第一平坦区域的竖直中心处达到峰值。

18.根据权利要求4所述的功率半导体器件,其中所述功率半导体器件被配置为双极型器件。

19.根据权利要求18所述的功率半导体器件,其中所述功率半导体器件被配置为绝缘栅双极晶体管。

20.根据权利要求18所述的功率半导体器件,其中所述第一单元被配置为控制在所述第一负载端子结构和所述第二负载端子结构之间流动的所述第一导电类型的第一负载电流,并且其中所述第二单元被配置为控制在所述第一负载端子结构和所述第二负载端子结构之间流动的所述第二导电类型的第二负载电流。

21.一种功率半导体器件,包括:

半导体本体,耦合到第一负载端子结构和第二负载端子结构,并且被配置为在所述功率半导体器件的导通状态期间传导负载电流以及在所述功率半导体器件的阻挡状态期间阻挡负载电流;

第一单元和第二单元,每个单元均被配置用于控制所述负载电流,并且每个单元均在一侧上电连接至所述第一负载端子结构且在另一侧上电连接至所述半导体本体的漂移区域,所述漂移区域具有第一导电类型;

第一台面,被包括在所述第一单元中,所述第一台面包括:第一端口区域,具有所述第一导电类型且电连接至所述第一负载端子结构;和第一沟道区域,耦合至所述漂移区域;以及

第二台面,被包括在所述第二单元中,所述第二台面包括:第二端口区域,具有第二导电类型且电连接至所述第一负载端子结构;和第二沟道区域,耦合至所述漂移区域,

其中所述第一台面和所述第二台面中的每个台面在垂直于相应台面内的负载电流的方向上具有小于100nm的总延伸,

其中所述第一单元和所述第二单元被配置为在所述导通状态下完全耗尽所述第二导电类型的移动电荷载流子的所述第一沟道区域和所述第二沟道区域,

其中所述第一单元被配置为在所述导通状态下在所述第一沟道区域中引导出用于所述第一导电类型的移动电荷载流子的电流路径,而在所述阻挡状态下不引导出用于所述第一导电类型的移动电荷载流子的电流路径,

其中所述功率半导体器件被配置为在所述功率半导体器件的切换状态下同时在所述第二沟道区域中引导出用于所述第二导电类型的电荷载流子的累积沟道以及在所述第一沟道区域中引导出用于所述第一导电类型的电荷载流子的电流路径。

22.根据权利要求21所述的功率半导体器件,其中所述第一单元包括第一控制电极,所述第一控制电极被配置为在所述第一沟道区域中引导出所述电流路径,并且其中第一绝缘结构使所述第一控制电极与所述第一台面绝缘。

23.根据权利要求22所述的功率半导体器件,其中所述第二单元包括第二控制电极,所述第二控制电极被配置为在所述第二沟道区域中引导出所述累积沟道,并且其中第二绝缘结构使所述第二控制电极与所述第二台面绝缘。

24.根据权利要求23所述的功率半导体器件,其中所述第一控制电极所具有的功函不同于所述第二控制电极的功函。

25.根据权利要求23所述的功率半导体器件,其中所述第二控制电极所具有的功函小于所述第二沟道区域的功函。

26.根据权利要求23所述的功率半导体器件,其中所述第二控制电极具有小于4.5ev的功函。

27.根据权利要求23所述的功率半导体器件,其中所述第二控制电极包括下列中的至少一种:具有所述第一导电类型的多晶半导体材料、金属硅化物、金属氮化物、铝、钛、镁、钪、钇、铷、硒和锶。

28.根据权利要求23所述的功率半导体器件,其中使所述第一控制电极与所述第一沟道区域绝缘的所述第一绝缘结构的有效厚度比使所述第二控制电极与所述第二沟道区域绝缘的所述第二绝缘结构的有效厚度小,且倍数因子至少为20%。

29.根据权利要求22所述的功率半导体器件,其中所述第一控制电极所具有的功函大于所述第一沟道区域的功函。

30.根据权利要求22所述的功率半导体器件,其中所述第一控制电极具有至少4.9ev的功函。

31.根据权利要求22所述的功率半导体器件,其中所述第一控制电极包括下列中的至少一种:具有所述第二导电类型的多晶半导体材料、金属硅化物、金属氮化物、镍、钯、铱、铂和金。

32.根据权利要求22所述的功率半导体器件,其中使所述第一控制电极与所述第一沟道区域绝缘的所述第一绝缘结构的沿垂直于所述负载电流的方向的有效厚度小于使所述第一控制电极与所述半导体本体绝缘的所述第一绝缘结构的沿负载电流方向的有效厚度。

33.根据权利要求21所述的功率半导体器件,其中所述第一沟道区域和所述第二沟道区域中的每个沟道区域均具有在4.6ev至5.0ev的范围内的功函。

34.根据权利要求21所述的功率半导体器件,其中所述第一沟道区域和所述第二沟道区域中的每个沟道区域均具有所述第二导电类型,并且其中所述第一沟道区域的掺杂浓度比所述第二沟道区域的掺杂浓度小,且倍数因子至少2。

35.根据权利要求21所述的功率半导体器件,其中所述半导体本体还包括平坦区域,所述平坦区域具有所述第二导电类型,并且布置在所述第二沟道区域和所述半导体漂移区域之间,并且比所述第二台面更深地延伸进入所述半导体本体中,其中在深于所述第二台面布置的部分中,所述平坦区域从所述第二台面朝向所述第一台面横向延伸,并且其中该部分的横向延伸至少为所述第一台面和所述第二台面之间的距离的50%。

36.根据权利要求35所述的功率半导体器件,其中所述平坦区域被配置为在所述第二沟道区域内引导出所述累积沟道时电耦合至所述第二端口区域。

37.根据权利要求35所述的功率半导体器件,其中所述平坦区域的朝向所述第一台面横向地延伸的至少一部分被布置为与使第一控制电极与所述第一台面绝缘的绝缘结构在空间上偏移。

38.根据权利要求21所述的功率半导体器件,其中所述第一沟道区域具有所述第一导电类型,并且所述第二沟道区域具有所述第二导电类型。

39.一种操作功率半导体器件的方法,所述功率半导体器件包括:半导体本体,耦合至第一负载端子结构和第二负载端子结构并被配置为传导负载电流;第一单元和第二单元,每个单元均被配置用于控制所述负载电流,并且每个单元均在一侧上电连接至所述第一负载端子结构且在另一侧上电连接至所述半导体本体的漂移区域,所述漂移区域具有第一导电类型;第一台面,被包括在所述第一单元中,所述第一台面包括:第一端口区域,具有所述第一导电类型且电连接至所述第一负载端子结构;和第一沟道区域,耦合至所述漂移区域;第二台面,被包括在所述第二单元中,所述第二台面包括:第二端口区域,具有第二导电类型且电连接至所述第一负载端子结构;和第二沟道区域,耦合至所述偏移区域,所述第一台面和所述第二台面中的每个台面在垂直于相应台面内的负载电流的方向上具有小于100nm的总延伸,至少一个控制电极用于在所述第一沟道区域内引导出用于所述第一导电类型的移动电荷载流子的电流路径,并且在所述半导体器件的导通状态下完全耗尽所述第二导电类型的移动电荷载流子的所述第一沟道区域和所述第二沟道区域,所述方法包括:

通过向所述至少一个控制电极提供具有在第一范围内的电压的控制信号来使所述功率半导体器件在所述导通状态下工作;

通过提供具有在与所述第一范围不同的第二范围内的电压的所述控制信号来使所述功率半导体器件在阻挡状态下工作;以及

通过将所述控制信号的电压从所述第一范围改变到所述第二范围,将所述功率半导体器件从所述导通状态切换到所述阻挡状态,其中将所述控制信号的电压从所述第一范围改变到所述第二范围包括提供控制信号,所述控制信号在保持时间段内具有在第三范围内的电压,以便同时为所述第一通道区域内的所述第一导电类型的移动电荷载流子提供电流路径以及为所述第二通道区域内的所述第二导电类型的电荷载流子提供积累沟道。

40.根据权利要求39所述的方法,其中所述保持时间段持续至少0.5μs。

41.根据权利要求40所述的方法,其中在所述功率半导体器件的操作期间,所述第三范围和/或所述保持时间段内的中间电平电压被预先确定并固定。

42.一种功率半导体器件,包括:

半导体本体,耦合到第一负载端子结构和第二负载端子结构;

第一单元和第二单元,每个单元均被配置用于控制所述功率半导体器件的负载电流,并且每个单元均在一侧上电连接至所述第一负载端子结构且在另一侧上电连接至所述半导体本体的n掺杂漂移区域;

第一台面,被包括在所述第一单元中,所述第一台面包括:n掺杂端口区域,电连接至所述第一负载端子结构;以及n掺杂沟道区域,耦合至所述n掺杂漂移区域;以及

第二台面,被包括在所述第二单元中,所述第二台面包括:p掺杂端口区域,电连接至所述第一负载端子结构;以及p掺杂沟道区域,耦合至所述n掺杂漂移区域,

其中所述第二单元被配置为在所述功率半导体器件的导电状态下完全耗尽空穴的所述p掺杂沟道区域,

其中所述第一单元被配置为在所述导通状态下在所述n掺杂沟道区域中引导出用于电子的电流路径,而在所述功率半导体器件的阻挡状态下在所述n掺杂沟道区域中不引导出用于电子的电流路径,

其中所述功率半导体器件被配置为在所述功率半导体器件的切换状态下同时在所述p掺杂沟道区域中引导出用于空穴的累积沟道以及在所述n掺杂沟道区域中引导出用于电子的电流路径。


技术总结
本公开涉及具有完全耗尽沟道区域的功率半导体器件,包括:半导体本体,耦合至第一负载端子结构和第二负载端子结构,并且被配置为传导负载电流;第一单元和第二单元,每一个都被配置用于控制负载电流,并且每一个都在一侧电连接至第一负载端子结构以及在另一侧电连接至半导体本体的漂移区域,漂移区域具有第一导电类型;第一台面,包括在第一单元中,第一台面包括第一端口区域和第一沟道区域,第一端口区域具有第一导电类型且电连接至第一负载端子结构,第一沟道区域耦合至漂移区域;第二台面,包括在第二单元中,第二台面包括第二端口区域和第二沟道区域,第二端口区域具有第二导电类型且电连接至第一负载端子结构,第二沟道区域耦合至漂移区域。

技术研发人员:A·毛德;F-J·涅德诺斯塞德;C·P·桑道
受保护的技术使用者:英飞凌科技股份有限公司
技术研发日:2017.06.30
技术公布日:2021.03.19
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