本发明专利技术的绝缘栅双极型晶体管及晶闸管的终端表面耐压区结构有一个p型半导体耐压层(168)，它位于器件元胞区(122)与n+场截止区(400)之间；在该p型半导体耐压层(168)之上有一个绝缘介质层(800)，在此绝缘介质层之上有一个二极管；该二极管由顺序相连的p+阳极区(902)、半导体区(901)和n+阴极区(903)构成。本发明专利技术利用器件元胞区的栅源电压(VGK)直接或间接地通过表面耐压区产生控制信号来控制器件的发射结电压(VAB)，达到器件关断时消除拖尾电流，起到快速关断器件的目的。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体高压器件及功率器件技术，特别是涉及一种表面耐压区应用在绝缘栅控制的双极型器件及晶闸管。参考文献 “HIGH SPEED IGBT”，U.S.Patent, US 20100219446A1 ；"BOTH CARRIERS CONTROLLED THYRISTOR", PCT/CN2011/083710 ;〃一种用于半导体器件的表面耐压区〃，中国专利ZL 95108317.1,或“Surfacevoltage sustaining structure for semiconductor devices，，，US 5,726,469 ； “低压电源”，ZL 201010000034.2，U.S.8294215B2.
技术介绍
众所周知，普通的IGBT在关断过程中存在严重的电流拖尾。已有的提高IGBT开关速度的措施主要有阳极短路的方法、减小耐压区非平衡载流子寿命的方法以及降低发射结注入效率的方法等。但是，这些方法都是以牺牲器件导通时电导调制的效果为代价的，并不能在本质上消除关断时的电流拖尾，而只是实现开关速度与导通压降之间的折衷。在参考文献“HIGH SPEED IGBT”，U.S.Patent, US 20100219446A1 中给出了一种高速IGBT，它的结构及等效电路示意图如图1所示。其中，G为该IGBT的栅电极，K为阴极，A为阳极，B为基极。当G上所加的电压超过器件的阈值电压Vth。时，该IGBT开启。此时，若电极A与B之间的电压不小于由P区110注入大量非平衡空穴到η区102时所需的电压，则在η区101中会形成强烈的电导调制，使得导通压降Vak大大降低。要关断IGBT时，若电极A与B之间的电压小于使P区110有大量非平衡空穴注入η区102时所需的电压，则在关断过程中就没有非平衡空穴从发射结持续注入漂移区，也就消除了 IGBT在关断过程中的电流拖尾现象。在参考文献“BOTH CARRIERS CONTROLLED THYRISTOR”，PCT/CN2011/083710中给出了一种控制两种载流子的晶闸管，它的结构示意图如图2所示。其中A是该晶闸管的阳极，K是阴极，B是基极，其工作原理已在文献中详细描述，这里不再赘述。该器件在关断时，如电极A与电极B之间的电压减小，使得P区110不再向N区101继续注入非平衡载流子，则可达到快速关断的目的。参考文献和都给出了控制电极A与B之间的电压的具体方法。为了方便起见，本专利中除非特别说明，否则都以IGBT器件为例。图3示出了一种通过表面耐压区感应出控制信号来控制电极A与B之间的电压的方法，该图是参考文献中图7的重现，只是各区的符号采用了本专利的符号。其中，在阴极K和η型终止环(Stop Ring)400之间的P区168是按照文献 “〈 一种用于半导体器件的表面耐压区 >，陈星弼，中国专利 ZL 95108317.1,或“Surface voltage sustaining structure for semiconductordevices", US5, 726，469”所述的表面耐压区。在IGBT关断时，随着阳极和阴极之间的电压Vak增加，P区500上会感应出略低于衬底的中性区200的电位，可供中性区200内所设置的ρ-MIST导通。p-MIST导通后，其源漏区电位接近。从而使得P区110和η区111短接，阻止了非平衡载流子由P区110注入η区101。上述P区500获得感应电位的方法是由于阳极A和阴极K之间的电压Vak变化而被动产生。实际上，在IGBT关断的开始阶段，阳极和阴极之间的电压Vak很小，因此P区500上感应出的电位也很小；而且，在Vak很小时，P型表面耐压区168与η型衬底区101之间的耗尽区很薄，因此这两个区之间存在较大的微分电容，流经表面耐压区的电流大部分被用于该电容的充放电，从而使得P区500上感应出的电压变化幅度很小，且相比于Vtx的电压变化有较大延迟。
技术实现思路
本专利技术的目的是利用绝缘栅控制的双极型器件的栅源电压直接或间接地通过表面耐压区产生控制信号来控制发射结电压。为实现上述目的，本专利技术提供了一种绝缘栅控制的双极型器件的元胞和作为结边缘的表面耐压区，其中，所述的绝缘栅控制的双极型器件的元胞有第一个η型的半导体区(101、102、111)，所述第一个η区有两个主表面(001和002);在两个主表面之间且紧贴第一主表面(001)至少有一个P型的源衬底区(121、122)，此P型的源衬底区之内又至少有一个η型的电子的源区(124、125)，部分的源衬底区和部分的源区通过导体相联，构成所述的绝缘栅控制的双极型器件的第一个电极(K);在部分的源区和部分的源衬底区以及部分的漂移区的表面覆盖有绝缘层(130)，在该绝缘层上覆盖有导体，作为所述绝缘栅控制的双极型器件的栅极(G);在两个主表面之间且紧贴第二主表面(002)至少有第一个P型的半导体区(110);所述的第一个P区(110)与所述的第一个η区(101、102、111)在第二主表面(002)各有导体联结，分别成为所述绝缘栅控制的双极型器件的第二个电极(A)与第三个电极⑶；所有源衬底区的元胞均被一个表面耐压区所包围。所述表面耐压区在两个主表面之间且紧贴第一主表面可以是一个P型的半导体区(168)作为所述表面耐压区的第一部分，所述表面耐压区在两个主表面之外且紧贴第一主表面有一个绝缘层(800)作为所述表面耐压区的第二部分，所述绝缘层又覆盖有一个所述表面耐压区的第三部分。所述表面耐压区的第三部分是一个二极管。所述二极管在靠近源衬底区的元胞的一端有导体覆盖，作为此二极管的阳极(J);所述表面耐压区的第三部分的另一端至少有一个η型的半导体区(903)，其上有导体覆盖，作为所述二极管的阴极(T);在902与903之间是一个半导体区(901)，它在表面耐压方向的尺度比902与903在表面耐压方向的一般要大得多。上述二极管的阳极(J)可以与所述的绝缘栅控制的双极型器件的栅极(G)直接通过导线相联，也可以间接地通过第一个低压电路(图6中的300区内的低压电路)与栅极(G)相联。所述二极管的阴极(T)通过导线与第二个低压电路(在200区内的低压电路)的一个输入端口相联。所述第二个低压电路区还有至少两个输出端口，两个输出端口各自通过导线与所述第二主表面的第二个电极(A)与第三个电极(B)相联。当第二个电极(A)与第一个电极(K)之间加有允许的最大反偏压时，所述第一个η型的半导体材料会有一个耗尽区(各图中虚线的左上部分)，但此耗尽区不达到所述第一个P区(110)，也不在表面耐压区之外；所述耗尽区的周围是一个当第二个电极㈧与第一个电极(K)之间加有允许的最大反偏压时仍不耗尽而维持中性的中性区(各图中虚线的右侧的101区)；通过所述的绝缘栅控制的双极型器件的栅极(G)的电位的变化，来控制第二个低压电路区(200)的与A和B相连接两个输出端口的电压，从而调节由第一个P区(110)向第一个η区(101)注入的少子注入效率。特别是使得所述的绝缘栅控制的双极型器件在关断过程中几乎无少子注入，从而降低关断所需时间。在上述技术方案中，当阳极和阴极之间加最大反偏压时，沿第一主表面的任一本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种绝缘栅控制的双极型半导体器件,其有源区至少含有一个元胞，所述元胞是处于半导体芯片的第一主表面和第二主表面之间；每个元胞有一个第一种导电类型的半导体的第一区作为所述绝缘栅控制的双极型半导体器件的漂移区，所述漂移区至少有一部分与第一主表面直接接触；所述元胞至少还有一个第一种导电类型的半导体的第二区作为一个绝缘栅场效应晶体管的源区，它被一个第二种导电类型的半导体第一区及第一主表面所包围；所述第二种导电类型的半导体第一区作为所述绝缘栅场效应晶体管的源衬底区，它被所述源区、第一主表面及漂移区所包围；部分的源衬底区和部分的源区通过导体相联，构成所述的绝缘栅控制的双极型半导体器件的第一个电极；在部分的源区和部分的源衬底区以及部分的漂移区的第一主表面覆盖有一个第一种绝缘层，在第一种绝缘层上覆盖有导体，作为所述绝缘栅控制的双极型半导体器件的栅极；在紧贴第二主表面且在两个主表面之间至少有一个第二种导电类型的半导体的第二区；所述第二种导电类型的半导体第二区与所述的第一种导电类型的半导体的第一区在第二主表面分别有导体与其相联结，各自构成所述绝缘栅控制的双极型器件的第二个电极与第三个电极；在所述绝缘栅控制的双极型半导体器件在第一主表面与第二主表面之间且紧贴第一主表面处，有一个用平面终端技术包围所有元胞的第一种表面耐压区；第一种表面耐压区的两侧中的第一侧是在第一个电极的一侧，第一种表面耐压区的第二侧则与第一种导电类型的半导体的第一区的不耗尽的区相连接；所述绝缘栅控制的双极型半导体器件的特征在于，在所述第一种表面耐压区所在的第一主表面之外紧贴了一个第二种绝缘层，在第二种绝缘层上又覆盖了一个第二种表面耐压区；第二种表面耐压区是一个二极管，它在靠近有源区的元胞的一侧有一个第二种导电类型的半导体的第三区覆盖，其上又有导体覆盖，作为此二极管的第一个电极；第二种表面耐压区在靠近所述第一种表面耐压区的第二侧之上有一个第一种导电类型的半导体的第三区，其上有导体覆盖，作为所述二极管的第二个电极；在第二种导电类型的半导体的第三区与第一种导电类型的半导体的第三区之间是一个半导体区；所述二极管的第一个电极可以与所述栅极直接通过导线相联接，也可以与一个第一个低压电路的一个输出端口相联接；所述二极管的第二个电极可以与一个第二个低压电路的一个输入端口相联接，第二个低压电路的另一个输入端口联接到除所述二极管的第二个电极以外的其它电极；所述第二个低压电路有两个输出端口，各自通过导线与所述第二主表面的第二个电极与第三个电极分别相联接。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陈星弼，吕信江，
申请(专利权)人：成都成电知力微电子设计有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51
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