CN104040723B - 具有q1和q4控制的双向开关 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种参考后表面的控制类型的垂直双向开关，包括在其后表面上的第一主电极(A1)、在其前表面上的第二主电极(A2)以及栅极电极(G)。所述开关能够由栅极电极与第一电极之间的正电压控制。在所述开关中，栅极电极(G)被布置在穿过其中形成开关的芯片的过孔的前表面上。
Description
技术领域
本发明涉及由半导体芯片形成的双向开关，该半导体芯片包括在芯片各表面上的主电极和在芯片前表面的控制电极，该控制电极或栅极由参考于后表面电极电压的电压所控制。
背景技术
这类组件不同于单向可控硅或三端双向可控硅，其中参考前表面电极控制栅极信号。具有参考后表面的栅极电极的事实是有利的，这是因为便于将包括单个电极的后表面连接至接地板或辐射器(radiator)上，这使得栅极信号能够参考固定电压(例如接地电压)，而在许多应用中，主表面电极被连接至主电压，使其必需提供隔离系统以递送控制信号和可变电势之间的电压。
本申请人已创建参考后表面的双向开关的概念，其以“ACS”的商品名称出售，本申请人已经对这些部件进行许多研究。特别提到美国专利No.6034381、6593600和6927427。另外，本申请人之前提供将多个单向部件(可控硅)与共阴极(cathode)并联连接，该栅极参考该阴极，如美国专利5914502所述。
当在Q1和Q4模式下可控时，即当栅极关于后表面电极为正时，各种已知双向后表面参考开关的架构具有涉及晶体管或横向可控硅(lateral thyristor)用于它们的“导通”的缺点。一方面，这导致了在关于被指派给栅极的表面面积的问题，而在另一方面，当在主电极(dV/dt导通)之间施加突变电压变化时，这导致了可能的闩锁问题。
发明内容
因此需要形成双向开关，其中栅极电极参考后表面，其具有尤其简单和小体积(low-bulk)的控制结构，并且该双向开关对因其主电极之间的突变电压变化所致的闩锁几乎不敏感。
本发明的一个实施例提供一种类型的垂直双方向开关，该类型的控制参考后表面，在它的后表面包括第一主电极并且在它的前表面包括第二主电极和栅极电极，该开关由它的栅极和它的第一电极之间的正电压可控，其中该栅极电极被布置在穿过其中形成开关的芯片的过孔前表面上。
根据本发明的一个实施例，双向开关包括在前表面侧上由第二导电性类型的壁所包围的第一导电性类型的半导体衬底；第二导电类型的阱，在该阱的基本上一半中形成第一导电类型的第一区域；从衬底的前表面至后表面的第二导电性类型的过孔，布置在第一区域和壁之间，该过孔在后表面侧上与栅极电极相接触；其中在阱的、未被第一区域占据的部分前面形成第一导电性类型的第二区域的、第二导电性类型的一层；布置在后表面上过孔区域附近的绝缘层。第二导电性类型的层会被阻断，而所述绝缘层布置成当正电压被施加在基极电极和第一主电极之间时，电流流入所述衬底下方的第二导电性类型的层中。
根据本发明的一个实施例，在后表面侧上形成第一导电性类型的第三区域，从而所述电流在夹入区域(pinched region)中流动。
根据本发明的一个实施例，双向开关还包括布置在阱中在前表面侧上并且与栅极电极连接的第一导电性类型的第四区域，从而开关在所有四个象限内可控。
根据本发明的一个实施例，第一导电性类型为N型。
本发明前述以及其它的目的、特征和优势将在下面对特定实施例的非限制性描述和附图中详细论述。
附图说明
图1A是根据本发明的一个实施例的双向开关的简化俯视图；
图1B是沿图1A的线B-B的简化截面图，并且旨在进一步图示出象限Q1中的操作；
图1C是与图1B相似的简化截面图，其旨在图示出象限Q4中的操作；
图2是替代实施例的俯视图，其中双向开关有可能除象限Q1和Q4之外在象限Q2和Q3中被控制；以及
图3是示出了根据本发明的一个实施例的一个部件的替代拓扑的俯视图。
具体实施方式
照例在半导体部件的表示中，各个附图不按比例绘制。
如图1A的俯视图和图1B的截面图所示，通过使用P型外围壁3围绕轻掺杂的N型衬底1形成双向开关。当然，在制造期间，衬底1对应于硅晶片的芯片。
P型阱5在衬底1中的上表面(或前表面)侧上的基本中间位置中延伸。重掺杂的N型区7(N+)在阱5的基本一半中形成。在衬底的下表面(或后表面)主要由P型层9占据，P型层9具有与后文关于开关操作的讨论有关的讨论的限制。重掺杂的N型区11在层9中形成为面对P阱5的、其中未形成区域7的部分。因此，该部件的功率部分包括两个反向平行的可控硅，这两个反向平行的可控硅分别包括区域和层5-1-9-11和7-5-1-9。
P型过孔14穿过衬底1到达P型层9。该过孔被布置在衬底1中在N型区7的一侧的前面，并且可以例如对应于驱入区域(drive-in region)。另外，可以提供围绕P阱5并且形成沟道停止区域的N+型环16。在下表面侧上，绝缘层18在N区1的、布置在过孔14和外围阱3之间的部分下方延伸，并且向该部件的中心延伸。另外，重掺杂的N型区19被布置在下表面侧上的层9中基本上在过孔14的脱出(emerging)部分和N+型区7的投影之间。
主电极金属A1覆盖全部的下表面。主电极金属A2覆盖P阱5的区域和N+区7的所有区域，而栅极金属G覆盖过孔14的上表面。为了简化起见，这些金属在图1A中没有示出而仅在图1B中出现。另外，在图1B中，没有示出覆盖与金属接触的区域之外的前表面的绝缘层。
对于双向开关而言，限定了四个导通象限。仍然假设电极A1接地。第一象限Q1对应于正的A2和正的G，第二象限Q2对应于正的A2和负的G，第三象限于Q3对应负的A2和负的G，第四导通象限Q4对应于负的A2和负的G。前述部件能够在第一象限和第四象限中操作，该部件有可能通过对栅极电极施加相对于电极A1的正信号而被导通，而无论A2的偏压。
在图1B中，以虚线箭头指示象限Q1中的导通模式，即当电极A2关于电极A1为正时。关于电极A1的正栅极端引起电流I1从电极G向电极A1的流动，该电流垂直流动经过过孔14，然后在P层9的、在绝缘层18上方的N衬底1和N区19之间的部分(如果存在的话)中水平(在图中为向左)流动。该电流不能够朝外围壁3直接流动，这是因为如下事实：P层9并不在衬底1的、位于过孔14的脱出部分之外的部分下方延伸。电流在P型层9的、在绝缘层18和区域19与衬底1之间的夹入区域中的流动使P层9与区域19之间的结导电，并且电子沿箭头I2被注入至衬底1。这导致通过P阱5向衬底中注入空穴以确保平衡，并且在包括层和区域5-1-9-11的垂直可控硅中开始导电，如箭头I4所示。
应该注意，这种导通不对应于晶体管或横向可控硅的导通，并且由于电极A2和电极A1之间的快速过电压(fast overvoltage)，因此不能够发生导通。在此实施例中，该部件因此对于寄生dV/dt导通尤其不敏感。
图1C示出了在模式Q4中的导通，即当电极A2关于电极A1为负时。初始地，相同电流I1如之前所指示的那样流动经过过孔14。相似地，这引起了电子I2注入衬底。在过孔14和衬底1之间的PN结趋向于导电，这引起空穴从区域14向P阱5注入(箭头I3)。这些空穴朝P区域5中的负电极A2导向(箭头I4)，并且这通常解锁垂直可控硅7-5-1-9(箭头I5)。
图2示出了图1的实施例的一个变体。除了已经关于图1示出和描述的要素外，存在在外围绝缘壁3的上部分中形成的两个N+区域21、22(单独一个实际上是必需的)。这些N+区域可以由金属连接至栅极过孔14，并且形成能够在象限Q2和Q3中导通的双向开关的栅极，这与本说明书开始时所提到的美国专利中的至少一些专利中所描述的相似。因此获得在四象限中可控的开关。
图3示出了在图1和图2中俯视图中所示的结构的一个替代实施例。这种变化仅为拓扑变化：栅极过孔14被放置于该结构的角落中，而栅极21被放置于该结构的另一角落中，过孔14面向N+部分7，该N+部分7此时斜对角切分P型阱5。
当然，本发明可能具有将被本领域技术人员尤其是在阅读了在此被认为是已知的、申请人之前提及的现有专利之后易于想到的许多替代实施例。因此，在此未给出掺杂水平、层厚和尺寸的详细例子，这些值对于本领域技术人员而言易于确定。
Claims (5)
1.一种垂直双向开关，包括：
第一导电类型的半导体衬底，所述半导体衬底具有前表面和后表面；
在所述半导体衬底中并且在所述前表面和所述后表面之间的多个P-N结，所述多个P-N结限定反向并联耦合的第一可控硅和第二可控硅；
在所述半导体衬底的前表面上的控制电极；
在所述半导体衬底的后表面上的第一电极；
在所述半导体衬底的前表面上的第二电极；
半导体柱，直接耦合至所述控制电极并且在所述控制电极和所述第一电极之间延伸，并且耦合至所述多个P-N结的至少一个P-N结，所述半导体柱具有贯穿的相同导电类型；
所述控制电极被配置成控制在所述第一电极和所述第二电极之间的电流；以及
所述半导体衬底中并且围绕所述半导体柱的半导体壁，所述半导体壁是与所述第一导电类型不同的第二导电类型。
2.根据权利要求1所述的垂直双向开关，包括：
在所述半导体衬底的前表面中形成的第二导电类型的阱；
在所述阱中的第一导电类型的第一区域；
所述半导体柱是第二导电类型并且在所述半导体壁和所述第一区域之间；
第二导电类型并且在所述半导体衬底的后表面侧上的半导体层；
在所述半导体层中并且与所述阱的未被所述第一区域占据的部分对准的第一导电类型的第二区域；
在所述半导体衬底的后表面上并且与所述半导体柱相邻的绝缘层；
所述半导体层被阻断，所述绝缘层被设置为当正电压施加在所述控制电极和所述第一电极之间时，电流在在所述半导体衬底之下所述半导体层中流动。
3.根据权利要求2所述的垂直双向开关，还包括第一导电性类型的第三区域(19)在所述后表面侧上形成，从而所述电流在夹入区域中流动。
4.根据权利要求2所述的垂直双向开关，还包括布置在所述前表面侧上的所述阱中并且耦合至所述控制电极的第一导电性类型的第四区域(21，22)，从而所述垂直双向开关在所有四象限中可控。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的垂直双向开关，其中所述第一导电性类型为N型。
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