具有高开关速度的三端功率器件以及制造工艺制造技术

技术编号:5812510 阅读:169 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
这里说明的是功率器件(10),其具有第一电流导通端(A)、第二电流导通端(K)、使用时接收功率器件(10)的控制电压(VGATE)的控制端(G),以及在第一和第二电流导通端之间串联的晶闸管器件(12)和第一绝缘栅开关器件(14);第一绝缘栅开关器件(14)具有连接到控制端(G)的栅极端,并且晶闸管器件(12)具有基极端(16)。功率器件(10)还被提供有:连接在第一电流导通端(A)与晶闸管器件(12)的基极端(16)之间并且具有连接到控制端(G)的相应栅极端的第二绝缘栅开关器件(18);以及连接在晶闸管器件(12)的基极端(16)与第二电流导通端(K)之间的齐纳二极管(19),以便能够在给定的工作状态下从基极端(16)取出电流。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及三端功率器件,以及特别涉及可用作高压驱动器的功 率器件。
技术介绍
众所周知,为了获得例如既在导通期间(导通状态)又在开关过 程中低功率耗散、高输入阻抗以及高开关速度等的特性,在过去几年 中提出了大量功率驱动器结构。特别地,趋势已经从双极晶体管(具有低的导通耗散)以及MOS晶体管(具有在开关过程中低的耗散) 走到结合两种类型晶体管优势的混合元件。在这些之中,提出了一些 元件-例如IGBT (绝缘栅双极晶体管)、MCT (MOS可控晶闸管)、 以及EST (发射极开关晶闸管)等,其中除了达到在导通状态下的功通过绝缘栅电极驱动。在提出的混合技术方案中,已经证明具有例如因为它们允许高阻 止电压(器件可以耐受而不被击穿的最高反向电压)等的特定优势的 一些技术方案是基于晶闸管的那些,其在工作中具有减少的正向电压 降,以及像MOSFET那样被驱动,也就是用控制电压施加在绝缘栅上。 MCT以及EST属于所述类别,其然而具有某种程度上适中的反向偏 置安全工作区(RBSOA)以及长的关闭时间。为了解决所述问题,在2003年5月19日以本申请人名义提交的 专利申请No.W02004102671中,已经提出了 一种基于晶闸管的具有 高开关速度的功率器件。特别地,在图1中由1所指的所述功率器件, 包括在两个电流导通端4、 5之间串联的晶闸管2和MOSFET3。功率7器件1也具有驱动端6,其与MOSFET 3的绝缘栅电极连接以及接收 用于开启或关闭器件的电压,以及与晶闸管2连接的用于在关闭器件 时将电荷快速取出的另外的端7。这样,在关闭时不会发生电流拖尾, 以及关闭是非常快的。另外,这种功率器件不具有任何寄生元件并且 因此具有大的RBSOA。尽管有因前述的优势,然而功率器件l具有缺点,就它具有四端 (两个控制端以及两个电流导通端)而言其不是标准的类型,与大多 数只具有三端(一个控制端以及两个断电端)的功率驱动器不同。
技术实现思路
因此本专利技术的目的是提供一种能够克服上述缺点以及构成对已 知类型功率器件的进一步改进的功率器件。根据本专利技术,从而提供了一种功率器件以及相应的制造工艺,如 在权利要求1以及10中分别定义的。附图说明为了更好理解本专利技术,现在纯粹以非限制性的例子以及参考附图说明其优选实施例,其中图1示出一种已知类型功率器件的电路图2示出根据本专利技术的一方面的功率器件的电路图3示出穿过图2中功率器件基本结构的横截面;图4-8示出在图3中功率器件的连续制造步骤中的穿过半导体材料晶圆的横截面。图9示出穿过图2中功率器件端部的横截面(集成了其齐纳二极管);以及图lO以及ll示出图2中功率器件在两种不同工作状态下的等效 电路图,分别是开启以及关闭状态。具体实施例方式8如图2中等效电路图所示,根据本专利技术一方面的功率器件10具有三个端,并且具体为第一电流导通端A (阳极)、第二电流导通端 K (阴极)以及用于向器件提供开启/关闭电压的控制端G (栅极)。功率器件10包括晶闸管12 (具体是可控硅整流器-SCR),以 及第一绝缘栅开关器件14 (具体是MOS晶体管),它们在第一以及 第二电流导通端A、 K之间串联。具体地,晶闸管12的阳极连接到第 一电流导通端A,其阴极连接到第一内部节点15,以及其基极连接到 第二内部节点16。第一绝缘栅开关器件14连接在第一内部节点15与 第二电流导通端K之间,并且其栅极端连接到功率器件10的控制端 G。功率器件IO进一步包括第二绝缘栅开关器件18 (特別地,为 高压IGBT),其连接在第一电流导通端A与第二内部节点16之间, 并且其栅极端也连接到控制端G,以及因此连接到第一绝缘栅开关器 件14的栅极端,以及齐纳二极管19,其连接在第二内部节点16与第 二电流导通端K之间,以及特别地其阳极连接到第二电流导通端以及 其阴极连接到第二内部节点16。图3示出功率器件IO基本结构的横截面,被提供为集成在单块 半导体材料体20内的单片结构。以已知的方式,功率器件10—般地 可包括多个在彼此边上排列的基本结构,它们互相平行延伸例如沿着 与图3的纵截面正交的水平方向,以及每个基本结构可以包括一个或 一个以上基本单元。在图示的实施例中,基本结构包括一个基本单元。具体地,半导体材料体20具有下表面20a和上表面20b,且包括 P+型衬底22; N+型緩冲层23,其设置在衬底22上以及具有以本身已 知的方式增加器件击穿电压的功能;N—型的,在下文中称作漂移区 24的,设置在缓冲层23上的,第一基区;容置在漂移区24内的,P 型的,在下文中称作基区26的,第二基区;设置在基区26上的,N 型的,阴极区27;以及N—型的外延区28。外延区28容纳设置成 与基区26部分接触的,P+型的,第一阱区30;设置成与阴极区27接触且设置在第一阱区30旁边且内侧的,N+型的,第二阱区32;容纳 N+型的第一源区34并且设置在第二阱区32内侧的,P型的,第一体 区33;以及容纳W型的第二源区36并且设置在第一阱区30外侧且 与第一阱区30接触的,P型的,第二体区35。更具体地,功率器件1的由衬底22定义的下表面20a由连接到/人 功率器件IO外面可访的第一电流导通端A的金属层38覆盖。漂移区 24由从外面不可访的层形成,是外延生长的,如下文详细说明,其特 性(根据厚度和电阻率)取决于功率器件IO的电压等级。基区26是 通过第一阱区30连接到上表面20b的埋区,第一阱区30穿过外延区 28在上表面20b以及基区26之间延伸。阴极区27是通过第二阱区 32连接到上表面20b的埋区,且被第一阱区30横向定界而不必与其 相接,第二阱区32穿过外延区28在上表面20b以及阴极区27之间 延伸。优选地,外延区28具有与漂移区24相同的电阻率,但是厚度 较小。第一体区33容置在外延区28内并且被第二阱区32横向定界。 在图示的例子中,第一体区33容纳两个第一源区34,这与垂直导通 MOSFET功率器件技术中已知的相似。具体地,第二阱区32的存在 有利于抑制可能在第一阱区30、外延区28以及第一体区33之间形成 的横向寄生晶体管。而且,第二体区35在外延区28内,与第一阱区 30横向接触。在图示的例子中,第二体区35各容纳有第二源区36。在上表面20b上方,功率器件10包括第一绝缘栅区39,以已知 的方式,第一绝缘;嫩区39包括被例如二氧化硅的介电层环绕的例如 多晶硅的电极。第一绝缘栅区39各自的电极互相连接并且连接到功 率器件10的从外面可访的控制端G (如示意性所示出的)。在图示 的例子中,有两个相邻的第一^t区39,以本身已知的方式,部分地在 外延区28及第一源区34上方,而且在第一体区33的设置在第一源 区34和外延区28之间的部分上方,延伸。以大致上相似的方式,功 率器件10包括第二绝缘栅区40,它们的电极也互相连接并且连接到 功率器件10的控制端G。在图示的例子中,有两个第二绝缘栅区40,以本身已知的方式,部分地在外延区28以及第二源区36的上方,而 且在第二体区35设置在第二源区36和外延区28之间的部分的上方, 延伸。功率器件IO还包括在第一绝缘栅区39之间的上表面20b上延 伸的阴极金属化部分42,其与第一体区33和源本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种功率器件(10),包括: 第一电流导通端(A); 第二电流导通端(K); 控制端(G),其配置成用于接收所述功率器件(10)的控制电压(V↓[GATE]);以及 在所述第一和第二电流导通端A、K之间串联的晶闸管器件(12)和第一绝缘栅开关器件(14),所述第一绝缘栅开关器件(14)具有连接到所述控制端(G)的栅极端,以及所述晶闸管器件(12)具有基极端(16), 其特征在于,包括: 连接在所述第一电流导通端(A)与所述晶闸管器件(12)的所述基极端(16)之间,并且具有连接到所述控制端(G)的相应栅极端的第二绝缘栅开关器件(18)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员:C龙斯瓦尔勒V伊尼
申请(专利权)人:意法半导体股份有限公司
类型:发明
国别省市:IT[意大利]

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