半导体器件及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种半导体器件及其应用，该半导体器件在一个ｎ导电型第一半导体区中包括一个横向沟道区（２２）及接着的一个垂直沟道区（２９）当超过一个预定的饱和电流时横向沟道区（２２）被夹断，电流将被限制到低于饱和电流的值上。（*该技术在2018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适于无源地限制电流的半导体器件及其应用。为了对一个用电器(电装置)供给电流，该用电器将通过开关装置与一个供电网的供电支路相连接。为了保护用电器流过过高的电流，尤其在短路情况下，将使用低压开关技术中具有保护供电支路的分离开关的开关装置，对此通常使用一个熔断保险丝及一个机器功率开关，后者的开关时间明显地大于一毫秒(1ms)。如果在一个供电支路中同时有多个用电器工作，并在其中仅有一个用电器出现短路，因此有利的作法是，与短路无关的用电器不受干扰地继续工作，而仅是遇到短路的用电器被关断。为此，需要直接串接在每个用电器前面限流的元件(“限流器”)，它在明显小于1ms的时间内并在为该供电支路设置的分离开关释放前使可观的短路电流可靠地限制在一个预定的不严重的过流值上。此外，该限流元件应该无控制、无源地工作及承受在限流状态下出现的通常为700V、有时为1200V的电压。因为在元件中产生的功耗很大，当无源限流器在附加承收电压时能自动地使电流减小到低于预定的过电流值(自保险元件)，将是特别有利的。一种唯一可从市场中得到的限流器是在论文“用于短路保护的聚乙烯电流监控器”(T.Hansson著，ABB Technik 4/92，第35-38页)中描述的产品名称为PROLIM的装置，它是以在该装置中所使用材料晶界的与电流相关的导电性能为基础的。但是在频繁使用限制电流装置时，限制电流的电流饱和值会发生变化。此外，通常仅使用有源限流器，它们检测电流，并当超过给定最大电流值时通过有源控制来限制。由DE-A-4330459公知了这样一种基于半导体的有源限流器。它具有一个给定导电类型的第一半导体区，在其彼此背离的两表面上各设有一个电极。在第一半导体区内，两电极之间设有相反导电类型的彼此隔开的另一半导体区。在另一半导体区之间构成第一半导体区的沟道区，后者垂直于第一半导体区的两个表面(垂直沟道)。在两电极间将通过该沟道区传导垂直方向的电流并由此加以限制。为了控制两电极之间的电流，在第一半导体区中相反掺杂的半导体区上施加控制极电压，由此来控制沟道区的电阻。本专利技术的目的则在于，提供一种半导体器件，它在超出临界电流值时可用于无源地限制电流。并且也给出具有这种半导体器件的限流器装置。本专利技术的目的是通过权利要求1所述的特征来实现的。该半导体器件包括a)第一半导体区，它在第一表面上至少具有与第一电极相接触的接触区，及在第二表面上与第二电极接触；b)至少一个第二半导体区，它与第一半导体区构成一个p-n结；c)至少一个第三半导区，它与第一半导体区构成一个p-n结；d)第三半导体区在其未与第一半导体区交界的表面上被绝缘，以使第三半导体区中的电荷被存储；e)第一半导体区至少具有在两电极之间的电流路径中的沟道区，它在达到两电极之间的预定饱和电流时，被所述p-n结的耗尽区夹断，此后电流被限制在低于饱和电流的值上。这种半导体器件通过沟道区中物理效应的有利组合使电流、尤其是短路电流自动地限制在一个可接受的值上。此外，该半导体器件由于在电绝缘的第三半导体区中的电荷存储效应及由此产生的沟道区的持续夹断，在随后两电极上电压下降的情况下仍能够实际上保持该可接受的电流值。该半导体器件的有利构型及进一步构型可由从属权利要求中得到。该半导体器件用作限流器装置的有利应用可由从属权利要求15及16中得到。在该半导体器件的一种特别有利且尤其抗击穿的实施形式中，第二半导体区设置在第一半导体区中接触区的下方，并在平行于第一半导体区表面的所有方向上超过接触区地延伸。第三半导体区包围着平行于第一半导体区的第一表面的接触区。半导体器件的一种垂直的及由此特别耐压的结构将这样实现第一半导体区的第二表面与第一表面相背离。最好在第一半导体区的第一表面上设有多个接触区，它们尤其设有一个共同电极。也可以在接触区下方设有一个连贯的第二半导体区，它在平行于第一半导体区的第一表面的所有方向上超过所有接触区地延伸，并最好设有开口，第一半导体区中的另一些沟道区与所述沟道区电串联地，最好是垂直地通过该开口。也可在每个接触区的下方在第一半导体区中设有一个所属的第二半导体区，在它们之间延伸着第一半导体区的附加沟道区，它在电流路径中与至少一个对接触区设置的沟道区相串联。最好，每个第三半导体区在其未与第一半导体区交界的表面上覆盖着一个绝缘区。绝缘区的电压强度最好至少为20V，在第一电极及第三半导体区之间尤其是至少为50V，电击穿强度最好至少为5MV/cm。作为该半导体器件的半导体，最好使用能带宽度至少为2eV的半导体，它由于低的本征载流子浓度(未掺杂的载流子浓度)而著称，这又给电荷存储效应带来正面影响。当使用碳化硅(SiC)作为该半导体器件各半导体区的半导体材料时，电荷存储效应尤其强，这因为SiC具有极低的本征载流子浓度。SiC的其它优点是其高的击穿强度，高的耐温强度，抗化学性及高导温性能。最好，SiC的同质多型为4H-，6H-及3C-同质多型。对于SiC的掺杂材料最好为硼，及对于p掺杂为铝，对于n掺杂为氮。但其它半导体也能适用，尤其是硅(Si)。不管是SiC还是Si作为半导体材料时，绝缘区最好使用二氧化硅电介质(SiO2)，它尤其在热气氛中生长。热生长的氧化物具有优异的绝缘性能。它最好在SiC上在温度高于约1000℃时通过干式或湿式氧化产生。一种直流限流器这样地实现其中半导体器件的一个电极与电流源相连接，其另一电极与用电器相连接。一种交流限流器将以有利方式通过两个半导体器件反向串联在电流源及用电器之间来实现。在第三半导体区中的电荷存储效应可防止在交流电压极性改变时重新产生电流。对于本专利技术的实施例将借助附图来说明，附图中附图说明图1是具有一个横向沟道区的半导体器件的实施形式；图2是具有横向及垂直沟道区的半导体器件的实施形式；图3.是具有单元设计的半导体器件的局部俯视图；图4是具有两个反向串联的半导体器件的交流电流限制器；图5是根据图4的交流限流器的测量曲线；图6是在短路状态下一个半导体器件的电流及电压随时间变化的波形图7是在一个导电支路内具有限流器的电路装置。在图1中所示的半导体器件包括第一n导电型(电子导电)半导体区2及p导电型(空穴导电)的第二半导体区3和第三半导体区4。第一半导体区2具有一个平表面20。第二半导体区3设置在第一半导体区2内该表面20的下方，并至少在其朝着第一半导体区2的表面20的一侧横向地延伸，即，基本平行于第一半导体区2的表面20地延伸。第二半导体区3最好通过第一半导体区2的表面20中的掺杂材料粒子的离子植入来产生。所需的杂质分布断面将通过借助离子能量的离子植入时的注入分布断面并考虑到可能的植入掩膜来调节。由此，尤其可得到第二半导体区3的深度-即第二半导体区3离第一半导体区2的表面20的距离，及第二半导体区3的垂直延伸厚度D-即垂直于第一半导体区2的表面20所测得的厚度。该垂直厚度D的值尤其在0.1μm及1.0μm之间。第二半导体区3平行于第一半导体区2的表面20的横向延伸长度在图示横截面中用B表示，并通常在约10μm及约30μm之间选择。在第一半导体区2及对面的掺杂第二半导体区3之间构成了一个p-n结，它的耗尽区(空间电荷区)用23表示。该p-n结的耗尽区23包围着整本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体器件，它包括：ａ）第一半导体区（２），它在第一表面（２０）上至少具有与第一电极（７）相接触的接触区（５），及在第二表面（２１）上与第二电极（６）接触；ｂ）至少一个第二半导体区（３），它与第一半导体区（２）构成一个ｐ－ｎ结； ｃ）至少一个第三半导区（４），它与第一半导体区（２）构成一个ｐ－ｎ结；其中，ｄ）第三半导体区（４）在其未与第一半导体区（２）交界的表面（４０）上被绝缘，以使第三半导体区（４）中的电荷被存储；ｅ）第一半导体区（２）至少具有在两 电极（６、７）之间的电流路径中的沟道区（２２），它在达到两电极（６，７）之间的预定饱和电流时，被所述ｐ－ｎ结的耗尽区（２３，２４）夹断，此后电流被限制在低于饱和电流的值上。

【技术特征摘要】
DE 1997-4-25 19717614.31.一种半导体器件，它包括a)第一半导体区(2)，它在第一表面(20)上至少具有与第一电极(7)相接触的接触区(5)，及在第二表面(21)上与第二电极(6)接触；b)至少一个第二半导体区(3)，它与第一半导体区(2)构成一个p-n结；c)至少一个第三半导区(4)，它与第一半导体区(2)构成一个p-n结；其中，d)第三半导体区(4)在其未与第一半导体区(2)交界的表面(40)上被绝缘，以使第三半导体区(4)中的电荷被存储；e)第一半导体区(2)至少具有在两电极(6、7)之间的电流路径中的沟道区(22)，它在达到两电极(6，7)之间的预定饱和电流时，被所述p-n结的耗尽区(23，24)夹断，此后电流被限制在低于饱和电流的值上。2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中第二半导体区(3)设置在第一半导体区(2)中接触区(5)的下方并在平行于第一半导体区(2)的表面(20)的所有方向上超过接触区(5)地延伸。3.根据权利要求1或2所述的半导体器件，其中第三半导体区(4)包围着平行于第一半导体区(2)的第一表面(20)的接触区(5)。4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体器件，其中第一半导体区(2)的第二表面(21)与第一表面(20)相背离。5.根据上述任一项权利要求所述的半导体器件，其中第一半导体区(2)在其第一表面(20)中具有多个接触区(5)。6.根据权利要求5所述的半导体器件，其中在接触区(5)下方设有一个连贯的第二半导体区(3)，它在平行于第一半导体区(2)的第一表面(20)的所有方向上超过接触区(5)整体地延伸。7.根据权利要求2或5所述的半导体器件，其中在每个...

【专利技术属性】
技术研发人员：沃尔夫冈巴特希，海因茨米特莱纳，迪特里希斯蒂法妮，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]