具有完全耗尽的沟道区的功率半导体器件及其操作方法技术

一种具有完全耗尽的沟道区的功率半导体器件及其操作方法。该功率半导体器件(1)包括：半导体本体(10)，其耦接至第一负载端子结构(11)和第二负载端子结构(12)并且被配置成传导负载电流(15)；第一单元(141)和第二单元(142)，每个单元被配置成用于控制负载电流(15)，并且每个单元在一侧上被电连接至第一负载端子结构(11)并且在另一侧上被电连接至半导体本体(10)的漂移区(100)；包括在第一单元(141)中的第一台面(101)，其包括第一端口区(1011)和第一沟道区(1012)；包括在第二单元(142)中的第二台面(102)，其包括第二端口区(1021)和第二沟道区(1022)。

【技术实现步骤摘要】
具有完全耗尽的沟道区的功率半导体器件及其操作方法
本说明书涉及功率半导体器件的实施方式和操作功率半导体器件的方法的实施方式。具体地，本说明书涉及具有可完全耗尽至少一种导电类型的电荷载子的沟道区的功率半导体器件例如IGBT的实施方式及相应的操作方法。
技术介绍
汽车、消费和工业应用中的现代装置的许多功能例如转换电能和驱动电动机或电机均依赖于半导体器件。例如，绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和二极管等已被用于各种应用——包括但不限于电源和电力转换器中的开关。通常的目的是将半导体器件处出现的损耗保持在低水平，其中，所述损耗本质上是由导通损耗和/或切换损耗引起的。例如，功率半导体器件包括多个MOS控制头，其中，每个控制头可以具有至少一个控制电极和源极区以及被布置成与源极区相邻的沟道区。为了将功率半导体器件设置成可以在正向方向上传导负载电流的导通状态，控制电极可以设置有具有在第一范围内的电压的控制信号，以便引起沟道区中的负载电流路径。为了将功率半导体器件设置成施加至半导体器件的负载端子的正向电压会被阻挡并且正向方向上的负载电流的流动被抑制的截止状态，控制电极可以设置有具有在与第一范围不同的第二范围中的电压的控制信号，以切断沟道区中的负载电流路径。然后，正向电压可以在由功率半导体器件的沟道区与漂移区之间的过渡形成的结点处引起耗尽区，其中，耗尽区也被称为“空间电荷区”并且可以主要扩展到半导体器件的漂移区中。在这种背景下，沟道区通常也被称为“本体区”，其中，所述负载电流路径例如反型沟道可以由用于将半导体器件设置成导通状态的控制信号来引起。在沟道区中没有负载电流路径的情况下，沟道区可以与漂移区一起形成阻挡结。在导通状态下，正向电压降的下限可以由例如在IGBT的集电极侧上的n掺杂漂移区和p掺杂发射极区之间的过渡处的功率半导体器件的正向偏置二极管来确定。需要在操作中克服正向电压的此限制，从而进一步最小化导通状态下的损耗。
技术实现思路
根据一种实施方式，功率半导体器件包括：半导体本体，其耦接至第一负载端子结构和第二负载端子结构并且被配置成传导负载电流；第一单元和第二单元，所述第一单元和第二单元中的每个单元被配置成用于控制负载电流，并且所述第一单元和第二单元中的每个单元在一侧上被电连接至第一负载端子结构并且在另一侧上被电连接至半导体本体的漂移区，该漂移区具有第一导电类型；包括在第一单元中第一台面，该第一台面包括具有第一导电类型的并且与第一负载端子结构电连接的第一端口区以及耦接至所述漂移区的第一沟道区；包括在第二单元中的第二台面，该第二台面包括具有第二导电类型的并且与第一负载端子结构电连接的第二端口区以及耦接至漂移区的第二沟道区；第一台面和第二台面中的每一个在与相应台面中的负载电流的方向垂直的方向上被第一绝缘结构在空间上约束并且在与所述负载电流的方向垂直的方向上呈现出小于100nm的总延伸。功率半导体器件还包括第三单元，第三单元在一侧上被电连接至第二负载端子结构并且在另一侧上被电连接至漂移区。第三单元包括第三台面，该第三台面包括：第三端口区，其具有第一导电类型并且被电连接至第二负载端子结构；第三沟道区，其耦接至漂移区；以及第三控制电极，其通过第二绝缘结构与第三台面绝缘。根据另一实施方式，提出了一种用于操作功率半导体器件的方法，其中，功率半导体器件包括：半导体本体，其耦接至第一负载端子结构和第二负载端子结构并且被配置成传导负载电流；第一单元、第二单元和第三单元，所述第一单元、第二单元和第三单元中的每个单元被配置用于控制负载电流，其中所述第一单元和第二单元中的每个单元在一侧上被电连接至第一负载端子结构并且在另一侧上被电连接至半导体本体的漂移区，并且其中所述第三单元在一侧上被电连接至第二负载端子结构并且在另一侧上被电连接至漂移区，所述漂移区具有第一导电类型；包括在第一单元(141)中的第一台面，所述第一台面包括具有第一导电类型的并且被电连接至第一负载端子结构的第一端口区以及被耦接至漂移区的第一沟道区；包括在所述第二单元中的第二台面，所述第二台面包括具有第二导电类型的并且电连接至所述第一负载端子结构的第二端口区以及被耦接至所述漂移区的第二沟道区；包括在所述第三单元中的第三台面，所述第三台面(105)包括：具有第一导电类型并且电连接至所述第二负载端子结构的第三端口区(1051)以及耦接至所述漂移区的第三沟道区；所述第一台面和所述第二台面中的每一个，在与相应台面内的负载电流的方向垂直的方向上，被第一绝缘结构在空间上约束，并且在与所述负载电流的方向垂直的方向上呈现出小于100nm的总延伸。功率半导体器件还包括：至少一个第一控制电极，所述至少一个第一控制电极被配置成在所述第一沟道区内引起反型沟道；以及至少一个第三控制电极，所述至少一个第三控制电极被配置成在第三沟道区内引起反型沟道。所述方法包括：向至少一个第一控制电极提供第一控制信号，以便在第一控制电极在所述第一沟道区内引起反型沟道的正向导通状态下操作所述功率半导体器件；以及在所述正向导通状态下，向至少一个第三控制电极提供第三控制信号，以将所述功率半导体器件从第三控制电极在所述第三沟道区内不引起反型沟道的第一正向导通模式切换至第三控制电极在所述第三沟道区内引起反型沟道的第二正向导通模式。在阅读下面的详细描述并且查看附图的情况下，本领域技术人员将认识到附加的特征和优点。附图说明附图中的部件未必按比例绘制，而重点说明本专利技术的原理。而且，在附图中，相似的附图标记指代对应的部分，在附图中：图1A和图1B分别示意性地示出了根据一个或更多个实施方式的功率半导体器件的水平投影的部分；图2A和图2B分别示意性地示出了根据一个或更多个实施方式的功率半导体器件的竖直横截面的一部分；图3A和图3B分别示意性地示出了根据一个或更多个实施方式的功率半导体器件的竖直横截面的一部分；图4示意性地示出了根据一个或更多个实施方式的功率半导体器件的半导体本体中的电荷载子浓度的分布；图5A示意性地示出了根据一个或更多个实施方式的功率半导体器件的竖直横截面的一部分；图5B至图5C分别示意性地示出了根据一个或更多个实施方式的功率半导体器件的水平投影的部分；图6示意性地示出了根据一个或更多个实施方式的功率半导体器件的竖直横截面的一部分；图7示意性地示出了根据一个或更多个实施方式的功率半导体器件的竖直横截面的一部分；图8示意性地示出了根据一个或更多个实施方式的功率半导体器件的竖直横截面的一部分；图9示意性地示出根据一个或更多个实施方式的功率半导体器件的竖直横截面的一部分；图10示意性地示出根据一个或更多个实施方式的功率半导体器件的竖直横截面的一部分；图11示意性地示出根据一个或更多个实施方式的功率半导体器件的竖直横截面的一部分；图12示意性地示出根据一个或更多个实施方式的功率半导体器件的竖直横截面的一部分；图13示出了根据一个或更多个实施方式的示意性电路图；图14示意性地示出根据一个或更多个实施方式的第一和第二正向导通模式下的电流和电压特征；图15A和图15B分别示意性地示出根据一个或更多个实施方式的控制信号的切换方案；以及图16A和图16B分别示意性地示出根据一个或更多个实施方式的控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率半导体器件(1)，包括：半导体本体(10)，所述半导体本体(10)耦接至第一负载端子结构(11)和第二负载端子结构(12)，并且被配置成传导负载电流(15)；第一单元(141)和第二单元(142)，所述第一单元(141)和第二单元(142)中的每一个被配置用于控制所述负载电流(15)，并且所述第一单元(141)和第二单元(142)中的每一个在一侧上被电连接至所述第一负载端子结构(11)并且在另一侧上被电连接至所述半导体本体(10)的漂移区(100)，所述漂移区(100)具有第一导电类型；包括在所述第一单元(141)中的第一台面(101)，所述第一台面(101)包括：第一端口区(1011)，所述第一端口区(1011)具有第一导电类型并且被电连接至所述第一负载端子结构(11)；以及第一沟道区(1012)，所述第一沟道区(1012)被耦接至所述漂移区(100)；包括在所述第二单元(142)中的第二台面(102)，所述第二台面(102)包括：第二端口区(1021)，所述第二端口区(1021)具有第二导电类型并且被电连接至所述第一负载端子结构(11)；以及第二沟道区(1022)，所述第二沟道区(1022)被耦接至所述漂移区(100)；所述第一台面(101)和所述第二台面(102)中的每个台面在与相应台面(101,102)内的负载电流(15)的方向(Z)垂直的方向(X)上被第一绝缘结构(133)在空间上约束，并且在与所述负载电流(15)的方向(Z)垂直的方向(X)上呈现出小于100nm的总延伸(DX13；DX23)；其中，所述功率半导体器件(1)还包括第三单元(143)，所述第三单元(143)在一侧上被电连接至所述第二负载端子结构(12)并且在另一侧上被电连接至所述漂移区(100)，其中所述第三单元(143)包括第三台面(105)，所述第三台面(105)包括：第三端口区(1051)，所述第三端口区(1051)具有所述第一导电类型并且被电连接至所述第二负载端子结构(12)；第三沟道区(1052)，所述第三沟道区(1052)被耦接至所述漂移区(100)；以及第三控制电极(135)，所述第三控制电极(135)通过第二绝缘结构(134)与所述第三台面(105)绝缘。...

【技术特征摘要】
2016.06.30 DE 102016112019.71.一种功率半导体器件(1)，包括：半导体本体(10)，所述半导体本体(10)耦接至第一负载端子结构(11)和第二负载端子结构(12)，并且被配置成传导负载电流(15)；第一单元(141)和第二单元(142)，所述第一单元(141)和第二单元(142)中的每一个被配置用于控制所述负载电流(15)，并且所述第一单元(141)和第二单元(142)中的每一个在一侧上被电连接至所述第一负载端子结构(11)并且在另一侧上被电连接至所述半导体本体(10)的漂移区(100)，所述漂移区(100)具有第一导电类型；包括在所述第一单元(141)中的第一台面(101)，所述第一台面(101)包括：第一端口区(1011)，所述第一端口区(1011)具有第一导电类型并且被电连接至所述第一负载端子结构(11)；以及第一沟道区(1012)，所述第一沟道区(1012)被耦接至所述漂移区(100)；包括在所述第二单元(142)中的第二台面(102)，所述第二台面(102)包括：第二端口区(1021)，所述第二端口区(1021)具有第二导电类型并且被电连接至所述第一负载端子结构(11)；以及第二沟道区(1022)，所述第二沟道区(1022)被耦接至所述漂移区(100)；所述第一台面(101)和所述第二台面(102)中的每个台面在与相应台面(101,102)内的负载电流(15)的方向(Z)垂直的方向(X)上被第一绝缘结构(133)在空间上约束，并且在与所述负载电流(15)的方向(Z)垂直的方向(X)上呈现出小于100nm的总延伸(DX13；DX23)；其中，所述功率半导体器件(1)还包括第三单元(143)，所述第三单元(143)在一侧上被电连接至所述第二负载端子结构(12)并且在另一侧上被电连接至所述漂移区(100)，其中所述第三单元(143)包括第三台面(105)，所述第三台面(105)包括：第三端口区(1051)，所述第三端口区(1051)具有所述第一导电类型并且被电连接至所述第二负载端子结构(12)；第三沟道区(1052)，所述第三沟道区(1052)被耦接至所述漂移区(100)；以及第三控制电极(135)，所述第三控制电极(135)通过第二绝缘结构(134)与所述第三台面(105)绝缘。2.根据权利要求1所述的功率半导体器件(1)，其中，所述第三控制电极(135)被配置成在所述第三沟道区(1052)内引起反型沟道。3.根据权利要求1或2所述的功率半导体器件(1)，其中，所述第三台面(105)在与所述第三台面(105)内的负载电流(15)的方向(Z)垂直的方向(X)上被所述第二绝缘结构(134)在空间上约束，并且在与所述负载电流(15)的方向(Z)垂直的方向(X)上呈现出小于100nm的总延伸(DX33)。4.根据前述权利要求中的任一项所述的功率半导体器件(1)，其中：所述第一单元(141)被配置成在所述第一沟道区(1012)内引起反型沟道；并且所述第二单元(142)被配置成在所述第二沟道区(1022)内引起累积沟道。5.根据权利要求4所述的功率半导体器件(1)，其中，所述第一单元(141)包括第一控制电极(131)，所述第一控制电极(131)用于引起所述反型沟道，并且其中所述第一绝缘结构(133)使所述第一控制电极(131)与所述第一台面(101)绝缘。6.根据权利要求4或5所述的功率半导体器件(1)，其中，所述第二单元(142)包括第二控制电极(132)，所述第二控制电极(132)用于引起所述反型沟道，并且其中所述第一绝缘结构(133)用于使所述第二控制电极(132)与所述第二台面(102)绝缘。7.根据前述权利要求中的任一项所述的功率半导体器件(1)，还包括第四单元(144)，所述第四单元(144)在一侧上被电连接至所述第二负载端子结构(12)并且在另一侧上被电连接至所述漂移区(100)，其中，所述第四单元(144)包括第四台面(104)，所述第四台面(104)包括：第四端口区(1041)，所述第四端口区(1041)具有第二导电类型并且被电连接至所述第二负载端子结构(12)；以及第四沟道区(1042)，所述第四沟道区(1042)耦接至所述漂移区(100)。8.根据权利要求7所述的功率半导体器件(1)，其中，所述第四台面(104)在与所述第四台面(104)内的负载电流(15)的方向(Z)垂直的方向(X)上被所述第二绝缘结构(134)在空间上约束，并且在与所述负载电流(15)的方向(Z)垂直的方向(X)上呈现出小于100nm的总延伸(DX43)。9.根据权利要求7或8所述的功率半导体器件(1)，其中，所述第四单元(144)被配置成在所述第四沟道区(1042)内引起累积沟道。10.根据权利要求9所述的功率半导体器件(1)，其中，所述第四单元(144)包括第四控制电极(136)，所述第四控制电极(136)用于引起反型沟道，并且其中所述第二绝缘结构(134)用于使所述第二控制电极(136)与所述第四台面(104)绝缘。11.根据前述权利要求中的任一项所述的功率半导体器件(1)，其中，所述漂移区(100)包括缓冲区(103-1)，所述缓冲区(103-1)与所述第三单元(143)和/或所述第四单元(144)接触，与所述漂移区(100)中的所述缓冲区(103-1)外部的掺杂剂浓度相比，所述缓冲区(103-1)具有在较高掺杂剂浓度下的第一导电类型。12.一种用于操作功率半导体器件(1)的方法(2)，其中，所述功率半导体器件(1)包括：半导体本体(10)，所述半导体本体(10)耦接至第一负载端子结构(11)和第二负载端子结构(12)，并且被配置成传导负载电流(15)；第一单元(141)、第二单元(142)和第三单元(143)，所述第一单元(141)、第二单元(142)和第三单元(143)中的每个单元被配置用于控制负载电流(15)，其中所述第一单元(141)和第二单元(142)中的每个单元在一侧上被电连接至所述第一负载端子结构(11)并且在另一侧上被电连接至所述半导体本体(10)的漂移区(100)，并且其中所述第三单元(143)在一侧上被电连接至所述第二负载端子结构(12)并且在另一侧上被电连接至所述漂移区(100)，所述漂移区(100)具有第一导电类型；包括在所述第一单元(141)中的第一台面(101)，所述第一台面(101)包括：第一端口区(1011)，所述第一端口区(1011)具有第一导电类型并且被电连接至所述第一负载端子结构(11)；以及第一沟道区(1012)，所述第一沟道区(1012)被耦接至所述漂移区(100)；包括在所述第二单元(142)中的第二台面(...

【专利技术属性】
技术研发人员：安东·毛德，弗朗茨约瑟夫·尼德诺斯特海德，弗兰克·迪特尔·普菲尔施，克里斯蒂安·菲利普·桑多，
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