CN104134663B - 具有减小振荡的功率开关模块及其制造方法 - Google Patents

具有减小振荡的功率开关模块及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有减小振荡的功率开关模块及其制造方法。功率开关模块包括被设计用于额定电流的三端子功率半导体器件以及续流单元。续流单元包括集成在具有第一带隙的第一半导体材料中的pn二极管、和集成在具有比第一带隙大的第二带隙的第二半导体材料中的肖特基二极管。肖特基二极管并联地电连接到pn二极管。

Description

具有减小振荡的功率开关模块及其制造方法
技术领域
本文所描述的实施例涉及减小振荡的功率开关模块，并且涉及用于制造功率开关模块的方法。
背景技术
续流二极管用于保护功率半导体器件不受在功率半导体器件开关电感负载时产生的电压尖峰的影响。当通过关断活动器件而使电感负载与电源突然断开时，存储在电感负载中的磁能由于电流的突然改变而感生高电压。续流二极管提供导电路径以承载由电感负载所驱动的电流，这减轻了电流改变并且防止由于感应而产生的电压峰值在功率半导体器件处出现。
通常，pn二极管用作续流二极管。从减小开关损耗的观点来看，因为肖特基二极管由于与pn二极管相比明显更小的存储电荷量而允许较快的开关，所以肖特基二极管提供了对pn二极管的替代。
然而，肖特基二极管在例如用作IGBT的续流二极管时的快速开关在开关期间产生强烈振荡。振荡导致了不期望的电子噪声。为了减小这样的振荡，可以减小IGBT开关的开关速度，即速率di/dt。然而，这增加了IGBT内的开关损耗。
鉴于上述，存在改进的需要。
发明内容
根据实施例，一种功率开关模块包括设计用于额定电流的三端子功率半导体器件以及续流单元。续流单元包括集成在具有第一带隙的第一半导体材料中的pn二极管、以及集成在具有比第一带隙大的第二带隙的第二半导体材料中的肖特基二极管。肖特基二极管并联地电连接到pn二极管。pn二极管能够操作为在功率半导体器件的额定电流时具有反向峰值电流，该反向峰值电流是肖特基二极管的电容电流峰值的约0.5到约1.8倍。
根据实施例，一种功率开关模块包括三端子功率半导体器件以及续流单元。续流单元包括集成在具有第一带隙的第一半导体材料中的pn二极管、以及集成在具有比第一带隙大的第二带隙的第二半导体材料中的肖特基二极管。肖特基二极管并联地电连接到pn二极管。pn二极管具有总pn结面积，并且肖特基二极管具有总肖特基结面积，并且总pn结面积与总肖特基结面积之间的比率是从约0.08和0.3。对于通过pn二极管和肖特基二极管的给定的总电流，通过pn二极管的电流与通过肖特基二极管的电流之间的比率是从约0.05和0.25。
根据实施例，一种功率开关模块包括三端子功率半导体器件以及续流单元。续流单元包括集成在具有第一带隙的第一半导体材料中的pn二极管、与pn二极管串联地电连接的电感器、以及集成在具有比第一带隙大的第二带隙的第二半导体材料中的肖特基二极管。肖特基二极管并联地电连接到pn二极管和电感器。
根据实施例，一种用于制造功率开关模块的方法包括：提供具有额定电流的三端子功率半导体器件；提供集成在具有第二带隙的第二半导体材料中的肖特基二极管；提供集成在具有比第二带隙小的第一带隙的第一半导体材料中的pn二极管，其中pn二极管在功率半导体器件的额定电流时具有反向峰值电流，该反向峰值电流是肖特基二极管的电容电流峰值的约0.5到约1.8倍；将肖特基二极管并联地电连接到pn二极管以形成续流单元；以及将续流单元电连接到三端子功率半导体器件以形成功率开关模块。
本领域技术人员在阅读以下具体实施方式时并且在查看附图时将认识到附加特征和优点。
附图说明
附图中的组件不一定是按照比例的，而是强调图示本发明的原理。此外，在附图中，相似的附图标记指示相应的部分。在附图中：
图1图示了根据实施例的功率开关模块；
图2图示了根据实施例的用作三端子功率半导体器件的IGBT；
图3图示了根据实施例的续流单元；
图4图示了根据实施例的续流单元；
图5图示了根据实施例的续流单元；
图6图示了根据实施例的在续流单元中使用的pn二极管；
图7A图示了图7B中所示的模块的电气符号，图7B图示了根据实施例的集成功率开关模块，其中pn二极管被集成在三端子器件中；
图8A图示了根据实施例的pn二极管和肖特基二极管的正向特性，并且图8B图示了图8A的一部分的放大视图；以及
图9图示了在具有肖特基二极管的IGBT的开关期间的振荡行为。
具体实施方式
在下面的具体实施方式中，参考形成本文的一部分的附图，并且在附图中，通过图示方式示出了可以实践本发明的特定实施例。在这方面，参考所描述的附图的取向来使用诸如“顶”、“底”“前”、“后”、“在先”、“在后”等的方向术语。因为实施例的组件可以以不同的取向来定位，所以方向术语是出于说明目的而使用并且不以任何方式进行限制。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可进行结构或逻辑改变。因此，下面的详细描述不具有限制性意义，并且本发明的范围由所附权利要求来限定。所描述的实施例使用特定语言，这不应当被解释为限制所附权利要求的范围。
本说明书中所使用的术语“横向”意在描述与半导体衬底的主表面平行的取向。
本说明书中所使用的术语“竖直”意在描述布置为与半导体衬底的主表面垂直的取向。
在本说明书中，半导体衬底的第二表面被认为由下表面或后侧表面形成，而第一表面被认为由半导体衬底的上表面、前表面或主表面形成。因此，本说明书中使用的术语“上方”和“下方”描述在考虑到该取向的情况下结构特征与另一结构特征的相对位置。
术语“电连接”和“电连接的”描述两个元件之间的欧姆连接。
接下来参考图1来描述实施例。图1图示了是用于开关诸如电动机的电感负载的功率开关模块的半桥。电感负载以105图示。两个三端子功率半导体器件101a和101b串联连接。在本实施例中，三端子功率半导体器件101a和101b是绝缘栅双极晶体管，每一个具有栅极端子102a、102b、发射极端子和集电极端子。发射极端子和集电极端子分别以E和C图示。在其他实施例中，三端子功率半导体器件101a和101b是MOSFET。在下文中，三端子功率半导体器件101a和101b分别被称为第一和第二IGBT 101a和101b。
续流单元反并联（anti-parallel）连接到第一和第二IGBT 101a和101b中的每一个。每个续流单元包括集成在第一半导体材料中的至少一个pn二极管103a、103b、以及集成在第二半导体材料中的至少一个肖特基二极管104a、104b。第一半导体材料具有第一带隙，并且第二半导体材料具有大于第一带隙的第二带隙。根据实施例，第一半导体材料是硅，并且第二半导体材料是碳化硅。因此，pn二极管103a、103b是Si pn二极管，并且肖特基二极管104a、104b是SiC肖特基二极管。在每个续流单元中，相应肖特基二极管104a、104b并联地电连接到pn二极管103a、103b。pn二极管提供作为尾电流进行流动的电荷，以阻尼由于肖特基二极管的电容行为所产生的振荡。
图1中所示的实施例包括两个三端子功率半导体器件101a、101b和两个续流单元108a、108b，其中续流单元108a、108b中的相应一个反并联地电连接到三端子功率半导体器件101a、101b中的相应一个。功率半导体器件和续流单元108a、108b的数目不限于两个。例如，全桥包括四个功率半导体器件和四个续流单元108a、108b。
pn二极管103a、103b可以是pin二极管，该pin二极管具有与低掺杂或本征漂移区接触以形成pn结的高掺杂阳极区以及与低掺杂或本征漂移区欧姆接触的高掺杂阴极区。下文更详细地进一步描述pn二极管103a、103b。
假定例如第一IGBT 101a是导电的，而第二IGBT 101b处于阻断模式。然后，电压源的电压U主要在IGBT 101b上下降。忽略小的电压降也在第一IGBT 101a的正向模式中发生。因此，电流i从电压源（从正到负）通过第一IGBT 101a流动到导电负载105。
在开关期间，第一IGBT 101a进入阻断状态而使第二IGBT 101b导电。然后，电感负载105将与电压源的正极连接，这意味着电流流动通过导电负载105。公知的是，电感抵抗流过其的电流的任何改变，并且尝试使电流保持流动。电流的任何改变，即di/dt，都导致根据等式（1）的电压的生成：
（1）。
因此，通过电感负载105的电流i的改变在实际尝试驱动电流的电感负载105上感生电压uL。在没有任何续流二极管的情况下，将不存在用于由电感负载105所驱动的电流的电气路径，并且可能比IGBT的额定阻断电压高的感生电压uL将在第二IGBT 101b上下降并且可能损坏第二IGBT 101b。
包括二极管103a、103b、104a、104b的续流单元108a、108b提供用于由电感负载105驱动的电流的路径。如果负载105与单元108a并联，则108b用作用于由负载105驱动的电流的续流路径。在该情况下，当使第一IGBT 101a从导电状态成为阻断状态时，电流从第一IGBT 101a“换向”到续流二极管103b和104b。这避免了在第一IGBT 101a上的高电压的生成。
在电感负载105的开关期间，可能由于LC谐振器而出现瞬时振荡，该LC谐振器由pn二极管103a的电容、肖特基二极管104a的电容以及图1中图示的电子元件之间的电连接所形成的杂散电感106形成。如果负载105与二极管103b、104b并联，这也成立。
为了避免或减小这些振荡，pn二极管103a、103b能够操作为在IGBT 101a、101b的额定电流时具有反向峰值电流，该反向峰值电流是肖特基二极管104a、104b的电容电流峰值的约0.5到约1.8倍。在实施例中，pn二极管103a、103b的反向峰值电流是肖特基二极管的电容电流峰值的约0.7到约1.5倍。肖特基二极管的电容电流峰值可以基于面积特定的电容cj来计算，这在等式2中给出。下标j指示这是金属半导体结的电容：
（2）
q是元电荷，ND是肖特基二极管的漂移区中的掺杂浓度，ε是介电常数，Vj是肖特基二极管的金属半导体结的结电压，并且Vr是所施加的电压。SiC中的掺杂浓度ND可以为Si中的掺杂浓度ND大约100倍。当Vr是0时，面积特定的电容cj具有其最大值。这导致
（3）。
为了计算电容Cj（0V），根据等式（4），面积特定的电容cj（0V）乘以肖特基结的总结面积A：
（4）。
值Cj（0V）是每个肖特基二极管的特性值，并且通常在市售的肖特基二极管的数据表中给出。由肖特基二极管的电容所产生的电流峰值Id, peak根据等式（5）来给出：
（5）
其中，du/dt是肖特基二极管上的电压变化。变化du/dt通常由实际开关应用和用于开关电压的IGBT来确定或控制。在下文中，基于图9给出示例。
图9图示了仅使用肖特基二极管作为续流二极管的示例。肖特基二极管允许快速开关，但在高速率开关时引起强烈振荡。在953处图示了肖特基二极管上的电压（120V/div），而在951处图示了肖特基二极管的反相二极管电流（50A/div）。这导致了在954处图示的肖特基二极管的损耗。在952处图示了IGBT的栅极电压（5V/div）。
如可以从图9推断的，du/dt是约30V/ns。用于图9中图示的测量的肖特基二极管具有约754pF的电容Cj（0V），其给出了与测量的结果相关的约90.48A的电流峰值Id, peak。
根据实施例，每个续流单元108a、108b的pn二极管103a、103b并联地连接到相应的续流单元108a、108b的肖特基二极管104a、104b。pn二极管103a、103b阻尼由于其软恢复行为而导致的振荡。根据实施例，根据等式（6），pn二极管103a、103b能够操作为具有肖特基二极管的电容电流峰值Id, peak的约0.5到约1.8倍（在一些实施例中约0.7到1.5倍之间）的反向峰值电流IRPM：
（6）。
当将pn二极管103a、103b配置为使得其允许反向峰值电流IRPM在以上相对于肖特基二极管的电容电流峰值Id, peak的给定范围中时，振荡可以被显著减小而不增加开关损耗。续流单元108a、108b的pn二极管103a、103b提供阻尼振荡的所谓的尾电流。尾电流是pn二极管103a、103b的开关行为的结果。例如，当使pn二极管103a、103b接通为导电状态时，电流不会立即上升为稳态电流，因为pn结必须首先充满电荷载流子。类似地，当关断pn二极管103a、103b时，存储在pn二极管103a、103b中的电荷载流子必须在pn二极管103a、103b能够产生（take up）阻断电压之前被移除。因此，对于pn二极管103a、103b将存在给定的“恢复”时间，在该时间期间尾电流正在关断期间流动。
虽然明显的尾电流可能增加开关模块的总损耗，但是当如以上给出的那样调整pn二极管103a、103b的反向峰值电流IRPM时，可以限制损耗的增加。这是在使用IGBT作为功率半导体器件时的情况。
为了在不增加损耗的情况下提供具有适当阻尼特性的pn二极管103a、103b，根据实施例，对于通过pn二极管103a、103b和肖特基二极管104a、104b的给定总电流，通过pn二极管103a、103b的电流与通过肖特基二极管104a、104b的电流之间的比率被设置为在约0.05和0.25之间。因此，由pn二极管103a、103b承载的电流的部分是由肖特基二极管104a、104b承载的电流的约5%到约25%。
此外，pn二极管103a、103b在额定电流时可以承载总电流的约25%。反向峰值电流IRPM还可以取决于IGBT的开关斜率di/dt，该开关斜率被设置得相对高。例如，对于约0.25cm2的pn二极管103a、103b的pn结面积，开关斜率di/dt可以在约1250A/µs的范围内。
用于调整电流比率的选项是以适当的面积比率来提供pn二极管103a、103b和肖特基二极管104a、104b。根据实施例，pn二极管103a、103b具有给定的总pn结面积，并且肖特基二极管104a、104b具有给定的总肖特基结面积。pn二极管103a、103b的总pn结面积与肖特基二极管104a、104b的总肖特基结面积之间的比率在约0.08和约0.3之间。
各个二极管的总结面积限定了电流可以流过的相应器件的横截面。例如，当二极管包括多个单元时，所有单元的结面积的和与二极管的总结面积相对应。
图8A图示了具体示例，其中862指示SiC肖特基二极管的特性并且861指示Si pin二极管的特性，而图8B图示了图8A的在0V到1V范围内的放大部分。Si pin二极管包括在阳极与阴极之间的本征区，并且是可以用作续流二极管的pn二极管的示例。图8A和图8B中对于pin二极管所图示的原理特性对于pn二极管也是有效的。术语“pn二极管”这里用于pn二极管和pin二极管。通常，功率pn二极管具有pin类型，其中“i”是指低掺杂的n层，也称为基极层。
在约400 A/cm2的额定电流时，pin二极管承载约100 A/cm2。SiC肖特基二极管和pin二极管二者都具有约1200V的额定阻断电压。SiC肖特基二极管的阈值电压是约0.85V，并且pin二极管的阈值电压是约0.7V。因此，在低于SiC肖特基二极管的阈值电压的电压时，pin二极管承载总电流。此外，pin二极管即使在低电流时也将被充满，使得pin二极管的阻尼效应在开关的初始阶段期间特别明显。
图2中图示了适用于作为功率开关器件的IGBT。IGBT在半导体本体210中形成，该半导体本体210可以包括在单晶衬底层218上形成的外延区290和单晶衬底层218。单晶衬底层218这里形成p掺杂发射极区218。外延区290包括低n掺杂漂移或基极区213以及在漂移区213和发射极区218之间的可选场停止区216。场停止区216也是n掺杂的，但是具有比漂移或基极区213高的掺杂浓度。P掺杂的p本体区214和高n掺杂的源极区217扩散到漂移或基极区213中。本体区214与漂移或基极区213形成pn结215。在外延层290上和在p本体区214上方，提供通过栅极介电层242与外延层290绝缘的栅电极241。
根据实施例，作为使用外延工艺来制造n掺杂漂移或基极区213的替代，还能够使用高电阻率半导体衬底，其在前侧工艺完成（例如源极区217和本体区214的形成）之后从晶圆后侧减薄。在减薄工艺之后，例如通过离子注入和退火工艺来对后侧发射极区218和可选的场停止层216进行处理。
p本体区214和源极区217与这里形成发射极端子的第一金属化240电连接。发射极区218与这里提供IGBT的集电极端子的金属层230电接触。
图3图示了根据实施例的续流单元，该续流单元包括彼此并联地电连接的单个pn二极管303和单个肖特基二极管304。由于pn二极管303和肖特基二极管304被集成到不同的半导体材料中，所以二者通常是分离的组件，其可以被组合在功率开关模块中。
图4图示了根据实施例的续流单元，该续流单元包括彼此并联地电连接的单个pn二极管403和三个肖特基二极管404。分离的SiC肖特基二极管404允许易于调整pn二极管403的总pn结面积与肖特基二极管404的总肖特基结面积的比率。例如，三个肖特基二极管404的肖特基结面积的和限定如上文所给出的肖特基二极管的总肖特基结面积。因此，三个肖特基二极管404一起形成续流单元的肖特基二极管。
组合分离的小肖特基二极管404还防止了需要单个大肖特基二极管。由于SiC难以处理，所以大面积的肖特基二极管通常比与提供与一个大肖特基二极管相同的总肖特基结面积的较小SiC肖特基二极管组更昂贵。这还促进了对有缺陷的二极管的替换并且允许较容易的缩放。这里应当提及，肖特基二极管404和pn二极管403的数目不限于这里给出的值，而可以是任何值。
图5图示了根据实施例的续流单元，该续流单元包括彼此串联地电连接的单个pn二极管503和电感器506。续流单元还包括多个肖特基二极管504，例如图5所示的三个肖特基二极管504。肖特基二极管504中的每一个与电感器506和二极管503并联地电连接。电感器506提供用于适配pn二极管503的开关特性的另一选项并且因此提供振荡的减小。例如，换向的陡度即di/dt可以进一步通过电感器506来减小，使得甚至当恢复特性没有在上文给出的范围内时也可以使用常用的pn二极管503。
电感器506可以是集总元件。电感器506还可以由续流单元内或之间的电连接的一部分形成。例如，使用较长的接合线可以足够用于特定应用。具有约1cm长度的接合线具有约10nH的电感（inductivity）。适配续流单元的pn二极管分支中的接合线的长度导致了在续流单元的pn二极管分支中的不同的换向陡度di/dt。
还可以在续流单元的肖特基二极管分支中使用接合线。根据实施例，续流单元的肖特基二极管分支中的接合线的长度与续流单元的pn二极管分支中的接合线的长度不同，以提供具有不同的换向陡度的两个分支。例如，与肖特基二极管电连接的第一接合线的长度是与pn二极管电连接的第二接合线的长度的30%到200%。例如，使用不同长度的接合线，例如通过提供比肖特基二极管分支中的接合线长的pn二极管分支中的接合线，pn二极管分支中的换向陡度di/dt可以被减小为约二分之一。
还可以例如通过适配半导体材料的厚度、场停止区的掺杂分布或电荷载流子的寿命来调整pn二极管的软恢复特性和尾电流的幅度。将结合下面的实施例来解释示例。
图6图示了集成到诸如硅的半导体衬底中的pn二极管的实施例。半导体衬底包括高n掺杂阴极区619，其与低n掺杂漂移或基极区613接触。漂移或基极区613还可以是本征掺杂区。p掺杂阳极区614扩散到漂移或基极区613，并且与漂移或基极区613形成pn结615。在漂移或基极区613中可以以结合图2所描述的类似的方式靠近阴极区619形成可选场停止区。阴极区619与阴极金属化630电接触，而阳极区614与阳极金属化640电接触。
比阳极区614更高掺杂的掺杂区617可以集成到阳极区614中，以调整阳极区614的发射极效率。控制发射极效率是用于在导电状态期间调整漂移或基极区613内的电荷载流子分布的一个选项，这直接影响pn二极管的恢复特性。
上述手段可以与诸如复合中心的植入的寿命调整手段相组合。
随后描述示例。为了适配电荷载流子寿命，氦离子可以被植入到阳极区614中，与基极区613中的电子辐照和处于通常在从约250℃到约380℃范围内的温度的随后退火工艺相组合。另一选项是铂或金的植入，其通常通过通常处于从约700℃到约900℃范围内的温度的随后退火工艺而被植入到漂移或基极区613中。不论实际植入如何，由所植入的杂质所形成的复合中心可以具有给定的竖直掺杂分布以局部地调整载流子寿命。
复合中心允许对pn二极管的各种电气参数的非常精细的控制。具体地，可以通过引入复合中心来调整反向峰值电流IRPM，使得反向峰值电流IRPM可以被容易地调节以处于相对于肖特基二极管的电容电流峰值Id,peak的以上给定范围中。
例如，用于软恢复二极管的氦植入的剂量可以是约7*1011 cm-2。对于较高的IRRM，该剂量可以被减小到例如2*1011 cm-2到4*1011 cm-2的值。对于较低的IRRM，如果退火条件相同，则剂量可以被增加到9*1011 cm-2到1.7*1012 cm-2的范围。另一可能是使氦植入的剂量保持恒定并且改变退火条件。较低的退火温度将减小IRRM。较高的退火温度将增加IRRM，并且如果电子辐照用于基极613中的载流子寿命调整，则这提供更明显并且更阻尼的尾电流。
复合中心的浓度通常被设置为使得包含复合中心的区中的载流子寿命值处于例如从约100ns到约10µs的范围内。
图7A和图7B图示了根据实施例的集成功率开关模块。图7B图示了结构，而图7A图示了电气符号。模块包括这里被实现为IGBT 701的至少一个三端子功率半导体器件701、以及至少一个pn二极管703，二者被集成在相同的半导体衬底210a中，该衬底210a被称为第一半导体衬底210a。IGBT 701具有与图2中示出的IGBT类似的布置，并且包括高p掺杂发射极区718、弱n掺杂漂移或基极区713、以及n掺杂场停止区716，该n掺杂场停止区716具有比漂移或基极区713高的掺杂浓度并且被布置在发射极区718和漂移区713之间。与漂移或基极区713形成pn结715的P掺杂本体区714被集成到漂移或基极区713中，并且高n掺杂源区717被集成到本体区714中。
发射极金属化740被形成在第一半导体衬底210a的上表面上。发射极金属化740通过接触塞745与源极区717和本体区714欧姆接触。为了改进与本体区714的欧姆接触，在接触塞745的底部形成高p掺杂接触区746。集电极金属化730与发射极区718欧姆接触。
通过相应的栅极介电层742与本体区714绝缘的栅电极741被提供为允许在源极区717和漂移区713之间形成反型沟道。厚绝缘层743使栅电极741与发射极金属化740绝缘。
如图7B所示，通过提供高n掺杂阴极区719来将pn二极管703集成到IGBT 701中，高n掺杂阴极区719提供在集电极金属化和场停止区716之间的欧姆接触。由本体区714形成pn二极管703的阳极，该本体区714通过接触塞745和接触区746与发射极金属化740欧姆接触。
与第一半导体衬底210a分离地提供集成了肖特基二极管704的第二半导体衬底210b。第二半导体衬底210b包括与第一半导体衬底210a不同的半导体材料。在本实施例中，第一半导体材料是硅并且第二半导体材料是SiC而不限于此。
肖特基二极管704包括高n掺杂阴极区782和弱n掺杂漂移或基极区781。漂移区781与阳极金属化784接触并且形成金属半导体结785。阴极区782与阴极金属化783欧姆接触。
肖特基二极管704和具有集成的pn二极管703的IGBT 701二者都被布置在共同导电引线结构750上，该共同导电引线结构750将集电极金属化730与阳极金属化783电连接并且形成共集电极端子C。这导致集成的pn二极管703和肖特基二极管704之间的较低的电感和电路的较高可靠性。阳极金属化784和发射极金属化740还例如通过接合线来彼此电连接，从而形成共射极端子E。
通过金属化740和端子E之间的电感器的实现，可以实现与图5所描述的相同的效果。
通过适配pn二极管703和肖特基二极管704的总结面积，可以设置上述关系。例如，可以利用n掺杂阴极区719来仅实现IGBT的总面积的一部分。然后，该面积限定pn二极管，其中pn二极管的总pn结面积与肖特基二极管的总肖特基结面积之间的比率是在约0.08和0.3之间。
在栅极端子G处的正电压VG的情况下，可以精细调节集成的pn二极管的IRRM。如果在关断之前设置这样的信号，则源极区717将注入电子，并且减小二极管的阳极发射极效率。在二极管的关断之前的很短实例td，电压VG再次被设置为0。通过在1 ns和10µs之间调整td，可以调节IRRM。td越短，IRRM越低。
虽然上文所描述的实施例具有特定掺杂关系，但是这不应被视为进行限制。例如，相反的掺杂关系也是可能的。例如，漂移区、场停止区、阴极区和源极区可以是p掺杂的，而本体区、阳极区和发射极区可以是n掺杂的。
此外，半导体材料可以由适用于制造半导体器件的任何半导体材料制成。这样的材料的示例包括但不限于诸如硅（Si）的基本半导体材料、诸如碳化硅（SiC）或硅锗（SiGe）的IV族化合物半导体材料、诸如砷化镓（GaAs）、磷化镓（Gap）、磷化铟（InP）、磷化铟镓（InGaPa）或磷砷化镓铟（InGaAsP）的二元、三元或四元III-V半导体材料、以及诸如碲化镉（CdTe）和碲化镉汞（HgCdTe）的二元或三元II-VI半导体材料等。上述半导体材料还被称为同质结半导体材料。当组合两种不同半导体材料时，形成异质结半导体材料。异质结半导体材料的示例包括但不限于硅-碳化硅（Si-SiC）和锗硅渐变异质结半导体材料。对于功率半导体应用，当前主要使用Si、SiC和Si-SiC材料。
诸如“下”、“下方”、“较低”、“上方”、“较高”等的空间相对术语用于简化描述以说明一个元件相对于第二元件的定位。除了与附图中所描绘的那些不同的取向，这些术语意在包含器件的不同取向。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语也用于描述各种元件、区、部分等，并且不意在进行限制。在整个说明书中，相同的术语指代相同的元件。
如本文所使用的术语“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放式术语，其指示所阐述的元件或特征的存在但是不排除附加元件或特征。冠词“一”、“一个”和“该”意在包括复数以及单数，除非上下文清楚地另外指示。
考虑到上文的变形和应用的范围，应当理解，本发明不受前述描述限制，也不受附图限制。替代地，本发明仅受所附的权利要求及其合法等同物限制。

Claims (27)

1.一种功率开关模块，包括：
三端子功率半导体器件，所述三端子功率半导体器件被设计用于额定电流；以及
续流单元，所述续流单元包括集成在具有第一带隙的第一半导体材料中的pn二极管、以及集成在具有第二带隙的第二半导体材料中的肖特基二极管，其中，所述第二带隙比所述第一带隙大，其中，所述肖特基二极管并联地电连接到所述pn二极管，并且
其中，所述pn二极管能够操作为在所述功率半导体器件的所述额定电流时具有反向峰值电流，所述反向峰值电流是所述肖特基二极管的电容电流峰值的0.5到1.8倍。
2.根据权利要求1所述的功率开关模块，其中，所述三端子功率半导体器件是绝缘栅双极晶体管。
3.根据权利要求2所述的功率开关模块，其中，所述续流单元反并联地连接到所述绝缘栅双极晶体管。
4.根据权利要求1所述的功率开关模块，其中，所述第一半导体材料是硅。
5.根据权利要求1所述的功率开关模块，其中，所述第二半导体材料是碳化硅。
6.根据权利要求1所述的功率开关模块，其中，所述pn二极管包括由p掺杂区和n掺杂区形成的pn结，并且其中，所述p掺杂区包括比所述n掺杂区更高密度的复合中心。
7.根据权利要求6所述的功率开关模块，其中，所述复合中心由植入的氦离子形成。
8.根据权利要求6所述的功率开关模块，其中，所述复合中心由金掺杂和铂掺杂中的至少一个形成。
9.根据权利要求1所述的功率开关模块，其中，所述续流单元进一步包括与所述pn二极管串联连接的电感器。
10.根据权利要求1所述的功率开关模块，其中，所述pn二极管包括由p掺杂阳极区和n掺杂漂移区形成的pn结，其中，集成在所述p掺杂阳极区中的高p掺杂区具有比所述p掺杂阳极区高的掺杂浓度。
11.根据权利要求1所述的功率开关模块，其中，所述pn二极管具有总pn结面积，并且所述肖特基二极管具有总肖特基结面积，并且其中，所述总pn结面积与所述总肖特基结面积之间的比率是从0.08到0.3。
12.根据权利要求1所述的功率开关模块，其中，所述pn二极管和所述三端子功率半导体器件被集成在单个半导体本体中。
13.根据权利要求1所述的功率开关模块，进一步包括：
第一接合线，所述第一接合线与所述肖特基二极管电连接；以及
第二接合线，所述第二接合线与所述pn二极管电连接，
其中，所述第一接合线的长度是所述第二接合线的长度的30%到200%。
14.根据权利要求1所述的功率开关模块，进一步包括：
共同导电引线结构，所述共同导电引线结构电连接到所述功率半导体器件的集电极金属化和所述肖特基二极管的阴极金属化，以形成所述功率开关模块的共集电极端子。
15.一种功率开关模块，包括：
三端子功率半导体器件；以及
续流单元，所述续流单元包括集成在具有第一带隙的第一半导体材料中的pn二极管、以及集成在具有第二带隙的第二半导体材料中的肖特基二极管，其中，所述第二带隙比所述第一带隙大，其中，所述肖特基二极管并联地电连接到所述pn二极管，
其中，所述pn二极管具有总pn结面积，
其中，所述肖特基二极管具有总肖特基结面积，
其中，所述总pn结面积与所述总肖特基结面积之间的比率是从0.08到0.3，并且
其中，对于通过所述pn二极管和所述肖特基二极管的给定总电流，通过所述pn二极管的电流与通过所述肖特基二极管的电流之间的比率是从0.05和0.25。
16.根据权利要求15所述的功率开关模块，其中，所述三端子功率半导体器件是绝缘栅双极晶体管。
17.根据权利要求16所述的功率开关模块，其中，所述续流单元反并联地连接到所述绝缘栅双极晶体管。
18.根据权利要求15所述的功率开关模块，其中，所述pn二极管包括由p掺杂区和n掺杂区形成的pn结，并且其中，所述p掺杂区包括复合中心。
19.根据权利要求15所述的功率开关模块，其中，所述续流单元进一步包括与所述pn二极管串联地连接的电感器。
20.根据权利要求15所述的功率开关模块，其中，所述pn二极管包括由p掺杂阳极区和n掺杂漂移区形成的pn结，其中，集成在所述p掺杂阳极区中的高p掺杂区具有比所述p掺杂阳极区更高的掺杂浓度。
21.一种功率开关模块，包括：
三端子功率半导体器件；以及
续流单元，所述续流单元包括集成在具有第一带隙的第一半导体材料中的pn二极管、与所述pn二极管串联地电连接的电感器、以及集成在具有第二带隙的第二半导体材料中的肖特基二极管，其中，所述第二带隙比所述第一带隙大，并且其中，所述肖特基二极管并联地电连接到所述pn二极管和所述电感器。
22.根据权利要求21所述的功率开关模块，其中，所述pn二极管具有总pn结面积，并且所述肖特基二极管具有总肖特基结面积，并且其中，所述总pn结面积与所述总肖特基结面积之间的比率是从0.08到0.3。
23.根据权利要求21所述的功率开关模块，其中，所述三端子功率半导体器件是绝缘栅双极晶体管。
24.根据权利要求23所述的功率开关模块，其中，所述续流单元反并联地连接到所述绝缘栅双极晶体管。
25.根据权利要求21所述的功率开关模块，其中，所述pn二极管包括由p掺杂区和n掺杂区所形成的pn结，并且其中，所述p掺杂区包括复合中心。
26.根据权利要求21所述的功率开关模块，其中，所述pn二极管包括由p掺杂阳极区和n掺杂漂移区形成的pn结，其中，具有比所述n掺杂漂移区更高的掺杂浓度的n掺杂阳极区提供在阴极金属化和所述n掺杂漂移区之间的欧姆接触。
27.一种用于制造功率开关模块的方法，包括：
提供具有额定电流的三端子功率半导体器件；
提供集成在具有第二带隙的第二半导体材料中的肖特基二极管；
提供集成在具有第一带隙的第一半导体材料中的pn二极管，其中，所述第一带隙小于所述第二带隙，其中，所述pn二极管在所述功率半导体器件的所述额定电流时具有反向峰值电流，所述反向峰值电流是所述肖特基二极管的电容电流峰值的0.5到1.8倍；
将所述肖特基二极管并联地电连接到所述pn二极管以形成续流单元；以及
将所述续流单元电连接到所述三端子功率半导体器件以形成所述功率开关模块。
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