具有均匀分布的微细结构的半导体开关制造技术

本发明专利技术涉及一种半导体开关，它可以用于以各种形式来切换电流。这样的双向开关用于一些电路（逆变器、矩阵转换逆变器），例如，在高达几千伏特的截断或者阻断电压的情况下。本发明专利技术旨在提供一种单体开关，它不必通过多个元件混合构成，并且可降低静态导通和关断损耗。本发明专利技术提出一种半导体开关，由不掺杂或者仅很弱地掺杂的半导体晶体制造，具有：一个工作区（１）和一个边缘区（５０、５１）。至少一个表面，特别是相对的表面设有大面积分布的细微结构（１０、１１、１２、１３、１４），它们实质上是相同构造的，其中它们各有一个导电的接续面（ＫＡ、ＫＢ），通过这些电极，载流子可以经过受控制的大面积分布的细微结构（ＧＡ、ＧＢ）运动进入半导体晶体的工作区（１）。由此可以控制工作区（１）中的载流子浓度，并且由此控制所述半导体开关的切换状态。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种作为半导体开关的半导体结构，它可以用于以各种形式来切换电流(权利要求1或2)。以其极独特的形式使之能够实现双向开关，即可以按所加电压的相应极性双向地接通和切断电流。这样的双向开关用于一些电路(电流逆变器、矩阵转换逆变器)，其电平至少高于加在栅极电路的电压，直到几千伏特的截止或者阻断电压。本专利技术的任务是提供一种单体开关，它不必通过多个元件混合构成，特别是应当降低静态导通和关断损耗，并且相对于公知的开关来说，提供降低开关损耗的可能性。本专利技术提供的结构不需要承受阻断电压或者截止电压(截止的)的pn结。其特征为，设置一些区域，其电位可以通过控制面(栅极)调节，从而其载流子密度可以通过控制面(栅极)调节。象征性地，可以说成是一种“栅控掺杂”，它按照(主电流通道的)接续电极上的电压极性和所希望的工作状态通过栅极电压调节。权利要求1说明了导通状态的维持，它通过在提高的意义上控制工作区的载流子而实现。受控的微细结构如此地受MOS结构的电场影响，以致于如果为所述的MOS结构选择第一控制电压极性，则可以把工作区的载流子浓度大面积地提高。权利要求2说明切断过程或者关断的状态，其中由降低工作区的载流子浓度达到对所述浓度的控制。所述细微结构在此由自身的MOS结构如此构加以影响，即在其反向的控制电压极性下，使载流子离开工作区。权利要求1和权利要求2也可以结合起来。场极板在工作区两侧协调关断状态下的场分布(权利要求3)。所述的两侧不一定是相对的，其中，在晶体的一侧或者另一侧，它们也可以设置在弱掺杂的或无掺杂的半导体晶体同侧的“两边”(权利要求15)。后一种情况称为旁侧开关，在生产中它只需要对一侧进行光刻。本专利技术的细微结构不仅可以凸出于半导体晶体的表面( 4)，也可以在半导体晶体的工作区凹陷(权利要求6)，其中在凹陷的范围内所述结构既可以是垂直取向的，也可以是水平取向的(权利要求8)。与其位置如何无关，所述细微结构位于半导体晶体的表面上或者接近导体晶体的表面上(权利要求18)。在此表面上，所述的结构实质上是均匀分布的，并且实质上是均匀构成的( 17)。本专利技术也可以用于有一个提供载流子的pn结(权利要求19)，但是不适于加上反向电压的半导体器件范围，此处只可以进行一个方向切换的截止(和导通)。利用其长为其宽数倍(权利要求16)的MOS结构，对工作区中大面积分布的细微结构的控制可以在一侧也可以在两侧进行(权利要求10、6)。所述细微结构越窄，一侧的MOS结构就越可以确切地象两侧的MOS结构那样影响控制区域。应用本专利技术可以生产具有很薄的弱掺杂区的双向开关。在常规的双向截止的器件，如可控硅整流器中需要把一个极性截止的第一pn结通过在另一个极性承受截止电压的第二pn结扩展。从而出现在同样的截止性能下至少需要双倍的器件的pnp结构。根据本专利技术，同一个弱掺杂区既可以承受闭塞电压也可以承受截止电压。由于主晶体区的厚度极小，根据本专利技术，也可以使导通电压极低。通过控制与各自相邻的接续面相对的“细微结构”上的MOS结构，可以在工作中调节多余(载流子)浓度的高低。由此，可以使相应的工作损耗最小。对于控制电容量起作用的控制面GA与对面的接续电极KB的电容量，及另一侧的控制面GB与对面的接续电极KA的电容量，可以对应于结构宽度与两个细微结构之间的距离之比保持较小，从而使控制耗电保持很小。通过在断路前预先进行的器件部分放电，与可断路的可控硅(GTO)相比可以显著地降低断路损耗。特别有意义的是对生产工艺的要求很低。所述器件实际上完全由不改变的半导体输出材料组成。它不需要可截止的pn结，不需要精确调节的掺杂浓度，也不需要复合中心。本专利技术提出，预定单独接触区域，该单独接触区域的电子和空穴(第一载流子及互补的第二载流子)可以注入和导出。所述区域可以是各自相互通过一个接续面短路的、高掺杂的区域，但是其横向表面的延伸不长。它还可以是适当的肖特基接触。所述半导体晶体的占绝对优势的工作区用一个绝缘膜覆盖，然后用一个导电的场极板屏蔽，此场极板在截止状态下均衡半导体晶体上的电场。生产技术成本的降低对于很难进行掺杂的半导体材料，如碳化硅特别有很大的优点。本专利技术的实施例的说明。附图说明图1是一种双向半导体开关的工作区1的横截面图，这种双向半导体开关具有一个半导体晶体、一个在第一侧“A”的第一接续电极KA和位于对面的、另一侧“B”的第二接续电极KB，图中示出了各层的结构、半导体的掺杂、绝缘膜、栅电极和金属电极。图2是透视图，说明图1的沟道条结构。图中去掉了接续电极KA，以清楚地表示电极KA之下在沟道条2的上端上的掺杂结构。图3表示图1的工作区的边缘终接情况，其中具有连续弯曲的场极板50，场极板50通过金属层FA和FB与半导体的相应侧面连接。在上升的场极板50的起始处示意性地示出了沟道条或者沟道柱10。端区很弯曲地隆起的场极板50贴在一个具有相应形状表面的绝缘膜51上，所述绝缘膜可以由二氧化硅构成。图4表示一个有凹陷的沟道条11的结构剖面，使用沟道技术把栅极电极GA、GB嵌入与图1所示的沟道条11的高度对应的沟道中。图5表示另一种结构形式。这个结构产生于把图2所示的沟道条半分后“翻倒”在绝缘了的场极板FA上，以形成一个“平放的沟道条”，对于这种结构，特别易于把“沟道条宽度”b做得更小。图6图6a表示一个级联构成的双向开关。这里栅极不是单体整合的，而是设计成MOSFET开关SnA和SA，它们引导双向开关的总电流，却只加上很低的截止电压。从而结构13的沟道带宽可以较大。图6的结构相应于图4的沟道技术。图7是截面图，表示可断开的可控硅的工作区1，在技术上具有类似图4所示的沟道结构。图8图8a表示只在半导体晶体的一侧有细微控制结构14的旁侧开关的侧视图和截面I—I。图1和图2中示出了双向半导体开关的周期性构成的结构一个截面。因为尺寸差别很大，所述在此没有按比例示出。器件由例如方形的半导体晶片组成，一般由硅特别是碳化硅组成。起开关作用的工作区1与图3所示的边缘区50、51不同。图1只表示工作区中的一个截面。上侧“A”和下侧“B”的结构在工作区的整个表面上呈周期性；它们在上侧和下侧是相同的。它们可以但是不必互相对齐，在图1中是互相错开的。相对于所述半导体片的厚度，各单个结构是很小的，半导体片本身由本征半导体晶体(就是说非掺杂的，通常用符号“i”表示)，或者极弱的n掺杂半导体晶体(通常用符号“n”表示)，或者极弱的p掺杂半导体晶体(通常用符号“p”表示)组成，并且应当有尽可能低浓度的复合中心(Rekombinationszentren)(从而进行尽可能长的载流子寿命)。分布的细微结构既可以构成沟道柱(垂直于图面，并且其延伸尺寸与图面上的尺寸相等)也可以构成沟道条10(在整个工作区上垂直图面延伸)，同样也可以是如图4、5所示的嵌入的水平或者垂直控制结构。下面进一步用沟道条形结构10说明所有类似结构。只有所述沟道条的外端有高的掺杂，并且具有通过接续电极KA及KB而互相短路的n+区和P+区3、4。对于沟道条形结构，这种浓掺杂区3a、4a也可以垂直于图面迭叠地构成，如图2所示。整个工作区1用双侧的绝缘膜20、21覆盖到与KA和KB接触的区域。对于硅，例如用高质量的二氧化硅层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体开关，由不掺杂或者仅很弱地掺杂的半导体晶体制造，用于在明显地高于栅极电路工作电压的高电压下，切换至少一个方向的，优选双方向的电流，它有一个工作区（１）和一个边缘区（５０、５１），其中，所述半导体开关的工作区（１）的至少一个表面 ，特别是相对的表面设有大面积分布的细微结构（１０，１１，１２，１３，１４），它们的构造实质上是相同的，其中它们各有一个导电的接续面（ＫＡ、ＫＢ），通过这些电极，载流子可以经过受控制的大面积分布的细微结构（ＧＡ、ＧＢ）运动进入半导体晶体的工作区（１），以控制工作区（１）中的载流子浓度，并且由此控制所述半导体的开关状态。

【技术特征摘要】
DE 1998-10-21 19848596.41.一种半导体开关，由不掺杂或者仅很弱地掺杂的半导体晶体制造，用于在明显地高于栅极电路工作电压的高电压下，切换至少一个方向的，优选双方向的电流，它有一个工作区(1)和一个边缘区(50、51)，其中，所述半导体开关的工作区(1)的至少一个表面，特别是相对的表面设有大面积分布的细微结构(10，11，12，13，14)，它们的构造实质上是相同的，其中它们各有一个导电的接续面(KA、KB)，通过这些电极，载流子可以经过受控制的大面积分布的细微结构(GA、GB)运动进入半导体晶体的工作区(1)，以控制工作区(1)中的载流子浓度，并且由此控制所述半导体的开关状态。2.一种半导体开关，由不掺杂或者仅很弱地掺杂的半导体晶体制造，用于在明显地高于栅极电路工作电压的高电压下，切换至少一个方向的，优选双方向的电流，它有一个工作区(1)和一个边缘区(50、51)，其中，所述半导体开关的工作区(1)的至少一个表面特别是相对的表面设有大面积分布的细微结构(10，11，12，13，14)，它们的构造实质上是相同的，其中它们各有一个导电的接续面(KA、KB)，通过这些电极，载流子可以经过受控制的大面积分布的细微结构(GA、GB)运动离开半导体晶体的工作区(1)，以控制工作区(1)中的载流子浓度，并且由此控制所述半导体的开关状态。3.根据权利要求1或2所述的半导体开关，其特征在于，在工作区(1)的上表面特别是没有由细微结构(10，11，12，13，14，)占据的部分区域(20、21)绝缘地支承在所述半导体晶体上的内场极板(FA、FB)上，场极板(FA、FB)用接续面(KA、KB)电连接到所述的细微结构—特别是相对立分离的工作区表面，用于构成受截止电压或者受接通电流的两个主接续面。4.根据权利要求1或2所述的半导体开关，其特征在于，注入或者引出来控制载流子的细微结构由实质上以均匀的距离互相排列的隆起的柱或者细长的沟道条(10)组成，设有一个侧面装置的MOS结构(GA、20、2；GA、20、2*；GB、20、2)，用于控制从各细微结构到不掺杂或者仅弱掺杂的半导体开关的工作区(1)的结区(z)中的载流子浓度。5.根据权利要求1或2所述的半导体开关，其特征在于，从细微结构到其余的工作区的结区(z)中的载流子浓度控制是(a)对连接侧(A)的细微结构中的第一载流子浓度进行控制，和(b)同时对另一个连接侧(B)的细微结构中的互补的第二载流子进行控制。6.根据权利要求1或2所述的半导体开关，其特征在于，细微结构由细长的沟道条或者沟道柱(11)组成，它们在半导体晶体中在其各侧有嵌入的栅电极(GA、20a)，以构成一个嵌入的MOS结构。7.根据权利要求6所述的半导体开关，其特征在于，内场极板(FA、FB)和导电接续面(KA、KB)在嵌入的MOS结构上方，实质上在平坦的面上构成。8.根据权利要求1所述的半导体开关，其特征在于，细微结构(12)平行于半导体晶体，其中，一个双侧绝缘的场极板(20b、FA)从所述表面嵌入半导体晶体中。9.根据权利要求7所述的半导体开关，其特征在于，在嵌入的场极板(FA)和半导体晶体的表面之间构成一个窄(b)而长(1)的控制区(2*)。10.根据权利要求9或8所述的半导体开关，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗兰西蒂希，福尔科海因克，
申请(专利权)人：罗兰西蒂希，福尔科海因克，
类型：发明
国别省市：DE[德国]