具有减小振荡的功率开关模块及其制造方法技术

本发明专利技术涉及具有减小振荡的功率开关模块及其制造方法。功率开关模块包括被设计用于额定电流的三端子功率半导体器件以及续流单元。续流单元包括集成在具有第一带隙的第一半导体材料中的pn二极管、和集成在具有比第一带隙大的第二带隙的第二半导体材料中的肖特基二极管。肖特基二极管并联地电连接到pn二极管。

【技术实现步骤摘要】
具有减小振荡的功率开关模块及其制造方法
本文所描述的实施例涉及减小振荡的功率开关模块，并且涉及用于制造功率开关模块的方法。
技术介绍
续流二极管用于保护功率半导体器件不受在功率半导体器件开关电感负载时产生的电压尖峰的影响。当通过关断活动器件而使电感负载与电源突然断开时，存储在电感负载中的磁能由于电流的突然改变而感生高电压。续流二极管提供导电路径以承载由电感负载所驱动的电流，这减轻了电流改变并且防止由于感应而产生的电压峰值在功率半导体器件处出现。通常，pn二极管用作续流二极管。从减小开关损耗的观点来看，因为肖特基二极管由于与pn二极管相比明显更小的存储电荷量而允许较快的开关，所以肖特基二极管提供了对pn二极管的替代。然而，肖特基二极管在例如用作IGBT的续流二极管时的快速开关在开关期间产生强烈振荡。振荡导致了不期望的电子噪声。为了减小这样的振荡，可以减小IGBT开关的开关速度，即速率di/dt。然而，这增加了IGBT内的开关损耗。鉴于上述，存在改进的需要。
技术实现思路
根据实施例，一种功率开关模块包括设计用于额定电流的三端子功率半导体器件以及续流单元。续流单元包括集成在具有第一带隙的第一半导体材料中的pn二极管、以及集成在具有比第一带隙大的第二带隙的第二半导体材料中的肖特基二极管。肖特基二极管并联地电连接到pn二极管。pn二极管能够操作为在功率半导体器件的额定电流时具有反向峰值电流，该反向峰值电流是肖特基二极管的电容电流峰值的约0.5到约1.8倍。根据实施例，一种功率开关模块包括三端子功率半导体器件以及续流单元。续流单元包括集成在具有第一带隙的第一半导体材料中的pn二极管、以及集成在具有比第一带隙大的第二带隙的第二半导体材料中的肖特基二极管。肖特基二极管并联地电连接到pn二极管。pn二极管具有总pn结面积，并且肖特基二极管具有总肖特基结面积，并且总pn结面积与总肖特基结面积之间的比率是从约0.08和0.3。对于通过pn二极管和肖特基二极管的给定的总电流，通过pn二极管的电流与通过肖特基二极管的电流之间的比率是从约0.05和0.25。根据实施例，一种功率开关模块包括三端子功率半导体器件以及续流单元。续流单元包括集成在具有第一带隙的第一半导体材料中的pn二极管、与pn二极管串联地电连接的电感器、以及集成在具有比第一带隙大的第二带隙的第二半导体材料中的肖特基二极管。肖特基二极管并联地电连接到pn二极管和电感器。根据实施例，一种用于制造功率开关模块的方法包括：提供具有额定电流的三端子功率半导体器件；提供集成在具有第二带隙的第二半导体材料中的肖特基二极管；提供集成在具有比第二带隙小的第一带隙的第一半导体材料中的pn二极管，其中pn二极管在功率半导体器件的额定电流时具有反向峰值电流，该反向峰值电流是肖特基二极管的电容电流峰值的约0.5到约1.8倍；将肖特基二极管并联地电连接到pn二极管以形成续流单元；以及将续流单元电连接到三端子功率半导体器件以形成功率开关模块。本领域技术人员在阅读以下具体实施方式时并且在查看附图时将认识到附加特征和优点。附图说明附图中的组件不一定是按照比例的，而是强调图示本专利技术的原理。此外，在附图中，相似的附图标记指示相应的部分。在附图中：图1图示了根据实施例的功率开关模块；图2图示了根据实施例的用作三端子功率半导体器件的IGBT；图3图示了根据实施例的续流单元；图4图示了根据实施例的续流单元；图5图示了根据实施例的续流单元；图6图示了根据实施例的在续流单元中使用的pn二极管；图7A图示了图7B中所示的模块的电气符号，图7B图示了根据实施例的集成功率开关模块，其中pn二极管被集成在三端子器件中；图8A图示了根据实施例的pn二极管和肖特基二极管的正向特性，并且图8B图示了图8A的一部分的放大视图；以及图9图示了在具有肖特基二极管的IGBT的开关期间的振荡行为。具体实施方式在下面的具体实施方式中，参考形成本文的一部分的附图，并且在附图中，通过图示方式示出了可以实践本专利技术的特定实施例。在这方面，参考所描述的附图的取向来使用诸如“顶”、“底”“前”、“后”、“在先”、“在后”等的方向术语。因为实施例的组件可以以不同的取向来定位，所以方向术语是出于说明目的而使用并且不以任何方式进行限制。应当理解，在不脱离本专利技术的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可进行结构或逻辑改变。因此，下面的详细描述不具有限制性意义，并且本专利技术的范围由所附权利要求来限定。所描述的实施例使用特定语言，这不应当被解释为限制所附权利要求的范围。本说明书中所使用的术语“横向”意在描述与半导体衬底的主表面平行的取向。本说明书中所使用的术语“竖直”意在描述布置为与半导体衬底的主表面垂直的取向。在本说明书中，半导体衬底的第二表面被认为由下表面或后侧表面形成，而第一表面被认为由半导体衬底的上表面、前表面或主表面形成。因此，本说明书中使用的术语“上方”和“下方”描述在考虑到该取向的情况下结构特征与另一结构特征的相对位置。术语“电连接”和“电连接的”描述两个元件之间的欧姆连接。接下来参考图1来描述实施例。图1图示了是用于开关诸如电动机的电感负载的功率开关模块的半桥。电感负载以105图示。两个三端子功率半导体器件101a和101b串联连接。在本实施例中，三端子功率半导体器件101a和101b是绝缘栅双极晶体管，每一个具有栅极端子102a、102b、发射极端子和集电极端子。发射极端子和集电极端子分别以E和C图示。在其他实施例中，三端子功率半导体器件101a和101b是MOSFET。在下文中，三端子功率半导体器件101a和101b分别被称为第一和第二IGBT101a和101b。续流单元反并联（anti-parallel）连接到第一和第二IGBT101a和101b中的每一个。每个续流单元包括集成在第一半导体材料中的至少一个pn二极管103a、103b、以及集成在第二半导体材料中的至少一个肖特基二极管104a、104b。第一半导体材料具有第一带隙，并且第二半导体材料具有大于第一带隙的第二带隙。根据实施例，第一半导体材料是硅，并且第二半导体材料是碳化硅。因此，pn二极管103a、103b是Sipn二极管，并且肖特基二极管104a、104b是SiC肖特基二极管。在每个续流单元中，相应肖特基二极管104a、104b并联地电连接到pn二极管103a、103b。pn二极管提供作为尾电流进行流动的电荷，以阻尼由于肖特基二极管的电容行为所产生的振荡。图1中所示的实施例包括两个三端子功率半导体器件101a、101b和两个续流单元108a、108b，其中续流单元108a、108b中的相应一个反并联地电连接到三端子功率半导体器件101a、101b中的相应一个。功率半导体器件和续流单元108a、108b的数目不限于两个。例如，全桥包括四个功率半导体器件和四个续流单元108a、108b。pn二极管103a、103b可以是pin二极管，该pin二极管具有与低掺杂或本征漂移区接触以形成pn结的高掺杂阳极区以及与低掺杂或本征漂移区欧姆接触的高掺杂阴极区。下文更详细地进一步描述pn二极管103a、103b。假定例如第一IGBT101a是导电的，而第二IGBT101b处于阻断模式。然后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率开关模块，包括：三端子功率半导体器件，所述三端子功率半导体器件被设计用于额定电流；以及续流单元，所述续流单元包括集成在具有第一带隙的第一半导体材料中的pn二极管、以及集成在具有第二带隙的第二半导体材料中的肖特基二极管，其中，所述第二带隙比所述第一带隙大，其中，所述肖特基二极管并联地电连接到所述pn二极管，并且其中，所述pn二极管能够操作为在所述功率半导体器件的所述额定电流时具有反向峰值电流，所述反向峰值电流是所述肖特基二极管的电容电流峰值的约0.5到约1.8倍。

【技术特征摘要】
2013.03.15 US 13/837,8841.一种功率开关模块，包括：三端子功率半导体器件，所述三端子功率半导体器件被设计用于额定电流；以及续流单元，所述续流单元包括集成在具有第一带隙的第一半导体材料中的pn二极管、以及集成在具有第二带隙的第二半导体材料中的肖特基二极管，其中，所述第二带隙比所述第一带隙大，其中，所述肖特基二极管并联地电连接到所述pn二极管，并且其中，所述pn二极管能够操作为在所述功率半导体器件的所述额定电流时具有反向峰值电流，所述反向峰值电流是所述肖特基二极管的电容电流峰值的0.5到1.8倍。2.根据权利要求1所述的功率开关模块，其中，所述三端子功率半导体器件是绝缘栅双极晶体管。3.根据权利要求2所述的功率开关模块，其中，所述续流单元反并联地连接到所述绝缘栅双极晶体管。4.根据权利要求1所述的功率开关模块，其中，所述第一半导体材料是硅。5.根据权利要求1所述的功率开关模块，其中，所述第二半导体材料是碳化硅。6.根据权利要求1所述的功率开关模块，其中，所述pn二极管包括由p掺杂区和n掺杂区形成的pn结，并且其中，所述p掺杂区包括比所述n掺杂区更高密度的复合中心。7.根据权利要求6所述的功率开关模块，其中，所述复合中心由植入的氦离子形成。8.根据权利要求6所述的功率开关模块，其中，所述复合中心由金掺杂和铂掺杂中的至少一个形成。9.根据权利要求1所述的功率开关模块，其中，所述续流单元进一步包括与所述pn二极管串联连接的电感器。10.根据权利要求1所述的功率开关模块，其中，所述pn二极管包括由p掺杂阳极区和n掺杂漂移区形成的pn结，其中，集成在所述p掺杂阳极区中的高p掺杂区具有比所述p掺杂阳极区高的掺杂浓度。11.根据权利要求1所述的功率开关模块，其中，所述pn二极管具有总pn结面积，并且所述肖特基二极管具有总肖特基结面积，并且其中，所述总pn结面积与所述总肖特基结面积之间的比率是从0.08到0.3。12.根据权利要求1所述的功率开关模块，其中，所述pn二极管和所述三端子功率半导体器件被集成在单个半导体本体中。13.根据权利要求1所述的功率开关模块，进一步包括：第一接合线，所述第一接合线与所述肖特基二极管电连接；以及第二接合线，所述第二接合线与所述pn二极管电连接，其中，所述第一接合线的长度是所述第二接合线的长度的30%到200%。14.根据权利要求1所述的功率开关模块，进一步包括：共同导电引线结构，所述共同导电引线结构电连接到所述功率半导体器件的集电极金属化和所述肖特基二极管的阴极金属化，以形成所述功率开关模块的共集电极端子。15.一种功率开关模块，包括：三端子功率半导体器件；以及续流单元，所述续流单元包括集成在具有第一带隙的第一半导体材料中的pn二极管、以及集成在具有第二带隙的第二半导体材料中的肖特基二极管，其中，所述第二带隙比所述第一带隙大，其中，所述肖特基二极管并联地电连接到所述pn二极...

【专利技术属性】
技术研发人员：J卢茨，HJ舒尔策，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE