CN105226057A - 反向导通功率半导体器件 - Google Patents

反向导通功率半导体器件 Download PDF

Info

Publication number
CN105226057A
CN105226057A CN201510360418.8A CN201510360418A CN105226057A CN 105226057 A CN105226057 A CN 105226057A CN 201510360418 A CN201510360418 A CN 201510360418A CN 105226057 A CN105226057 A CN 105226057A
Authority
CN
China
Prior art keywords
diode
layer
thyristor
master
gct
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201510360418.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105226057B (zh
Inventor
M.拉希莫
M.阿莫德
J.沃贝基
U.维穆拉帕蒂
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Energy Co ltd
Original Assignee
ABB T&D Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB T&D Technology AG filed Critical ABB T&D Technology AG
Publication of CN105226057A publication Critical patent/CN105226057A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105226057B publication Critical patent/CN105226057B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70—Bipolar devices
    • H01L29/74—Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action
    • H01L29/7404—Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action structurally associated with at least one other device
    • H01L29/7412—Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action structurally associated with at least one other device the device being a diode
    • H01L29/7416—Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action structurally associated with at least one other device the device being a diode the device being an antiparallel diode, e.g. RCT
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/04—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body
    • H01L27/06—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration
    • H01L27/0611—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration integrated circuits having a two-dimensional layout of components without a common active region
    • H01L27/0641—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration integrated circuits having a two-dimensional layout of components without a common active region without components of the field effect type
    • H01L27/0647—Bipolar transistors in combination with diodes, or capacitors, or resistors, e.g. vertical bipolar transistor and bipolar lateral transistor and resistor
    • H01L27/0652—Vertical bipolar transistor in combination with diodes, or capacitors, or resistors
    • H01L27/0664—Vertical bipolar transistor in combination with diodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70—Bipolar devices
    • H01L29/74—Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action
    • H01L29/744—Gate-turn-off devices

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Thyristors (AREA)

Abstract

提供反向导通功率半导体器件，包括多个二极管单元和多个GCT单元，每个GCT单元包括：晶闸管阴极电极、晶闸管阴极层、晶闸管基层、漂移层、晶闸管缓冲层、晶闸管阳极层以及晶闸管阳极电极。每个GCT单元还包括门电极。各二极管单元包括与二极管阳极层相接触的第一主侧上的二极管阳极电极、二极管漂移层、与晶闸管阳极层交替设置在第二主侧上的二极管阴极层和二极管阴极电极，该器件包括至少一个混合部分，其中二极管单元的二极管阳极层与GCT单元的第一阴极层交替。在各二极管单元中，二极管缓冲层设置在二极管阳极层与漂移层之间，使得二极管缓冲层覆盖从第一主侧至少到二极管阳极层的厚度的90%的深度的二极管阳极层的侧向面。

Description

反向导通功率半导体器件
技术领域
本发明涉及功率半导体器件领域。它涉及如权利要求1所述的反向导通功率半导体器件。
背景技术
反向导通反向导通GCT(RC-GCT)将一个或多个门极换向晶闸管(GCT)和一个或多个二极管与单个功率半导体器件相结合。双模门极换向晶闸管(BGCT)是RC-GCT，其在单个半导体晶圆中包括相互并联电连接的多个门极换向晶闸管(GCT)区以及分布在GCT单元之间的多个二极管单元。二极管单元也相互并联电连接并且并联连接到GCT单元，但是以相反的正向。
设置在半导体晶圆中的二极管单元允许在二极管模式操作BGCT；因而提供BGCT的反向导电性，其是功率电子器件中的多个应用所需的。
在WO2012/041958A2中描述一种现有技术BGCT，通过引用将其完整地结合于此。图1以截面图示出WO2012/041958A2的现有技术BGCT。
现有技术BGCT1’包括：半导体晶圆，具有第一主侧11和第二主侧15，所述第二主侧1设置成与第一主侧11平行；以及n-掺杂漂移层3，位于第一主侧11与第二主侧15之间并且沿与其平行的方向延伸。现有技术BGCT1’还包括多个GCT单元91，每个GCT单元91包括按照下列顺序的在晶圆中的第一主侧11与第二主侧15之间的层：n掺杂晶闸管阴极层4、p掺杂晶闸管基层6、晶闸管漂移层3’(其作为漂移层3的一部分)、n掺杂晶闸管缓冲层以及p+掺杂晶闸管阳极层5。GCT单元91还包括：晶闸管阴极电极2，设置在第一主侧11的各晶闸管阴极层4上；晶闸管阳极电极25，设置在第二主侧15的各晶闸管阳极层5上；以及多个门电极7，设置在各晶闸管基层6，侧向于晶闸管阴极电极2和晶闸管阴极层4但是与其分隔。它接触p掺杂晶闸管基层6。
BGCT1’还包括多个二极管单元96，其包括按照下列顺序的在半导体晶圆中的第一主侧11与第二主侧15之间的层：p掺杂二极管阳极层55、二极管漂移层3”(其作为漂移层3的一部分)以及n掺杂二极管阴极层45，其与晶闸管阳极层5交替地设置成与第二主侧15相邻。最后，BGCT1’包括二极管阳极电极28，其设置在第一主侧11的各二极管阳极层55上。多个二极管单元96形成反向导通半导体器件100的二极管部分。
二极管单元96通过均匀分隔区350(其通过位于二极管单元96与GCT单元91之间的漂移层3的部分来形成，并且其中漂移层3延伸到第一主侧11)与GCT单元91分隔。
对于现有技术BGCT，在GCT模式操作中，在导通期间因等离子体(电荷)而利用专用二极管区。在二极管模式操作中，还利用专用GCT区域。图1中的倾斜箭头示出在GCT模式操作中扩展的预计等离子体，其对二极管模式能够反转。
GCT单元91的尺寸确定以及二极管与GCT单元91、96之间的分隔面积是面积利用的重要因素。分隔区350必须设计成实现门极驱动的所需阻断能力(门极-阴极阻断能力，即，GCT截止和阻断期间的-20V)，同时将尺寸(分隔区距离)保持为总面积利用的最小数(以便实现在GCT操作模式中等离子体从GCT区91传播到专用二极管区96，反过来也是一样)。
在高电压器件、例如BGCT1’中，N-基(N漂移层)经过极低掺杂，以及如果分隔区距离较小，则存在穿通效应，并且这个区域最终无法阻断所需门极驱动电压。即使小分隔距离足以阻断所需门极驱动电压(在截止和阻断期间)，也将存在高门极-阴极泄漏电流，因为PNP(P晶闸管基层6、N漂移层3、P二极管阳极层55)增益因低掺杂N漂移层3以及晶闸管基层6与二极管阳极层55之间的N漂移层3的小距离、即分隔区350的宽度而过高。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种反向导通功率半导体器件，其中在分隔区具有改进的降低侧向PNP增益。
此问题通过具有权利要求1的特性的反向导通功率半导体器件来解决。发明的反向导通功率半导体器件包括晶圆(又称作半导体芯片)，其具有第一主侧以及设置成与第一主侧平行的第二主侧。该器件包括多个二极管单元和多个GCT单元((集成)门极换向晶闸管单元)，其中每个GCT单元包括按照下列顺序的在第一主侧与第二主侧之间的层：
-晶闸管阴极电极，
-第一导电类型的晶闸管阴极层，
-与第一导电类型不同的第二导电类型的晶闸管基层，
-第一导电类型的晶闸管漂移层，
-第一导电类型的晶闸管缓冲层，
-第二导电类型的晶闸管阳极层，以及
-晶闸管阳极电极。
每个GCT单元还包括门电极，其设置成侧向于晶闸管阴极层并且通过晶闸管基层与其分隔。这种GCT单元是专业人员众所周知的。它们在其构造方面与GTO单元相似，它们是从其中的进一步发展，但是在门极控制以及接通和关断方面与其不同。针对GCT单元的定位，它将被理解为晶闸管阴极层(以及门电极和晶闸管基层)的定位、即IGCT单元的第一主侧层的定位。
各二极管单元包括：第一主侧上的二极管阳极电极，其与第二导电类型的第二阳极层相接触，该二极管阳极层通过漂移层与晶闸管基层分隔；二极管漂移层；第二主侧上的第一导电类型的二极管阴极层，其与晶闸管阳极层交替设置；以及二极管阴极电极，其作为与晶闸管阳极电极的公共电极来形成。晶闸管漂移层和二极管漂移层形成漂移层，其是与第一主侧平行的平面中的晶圆的整个平面之上的连续层。
在针对二极管单元的定位的本专利申请中，它将被理解为二极管阳极层的定位，即，二极管单元的第一主侧层的定位。在各二极管单元中，第一导电类型的二极管缓冲层设置在二极管阳极层与漂移层之间，使得二极管缓冲层覆盖从第一主侧至少到二极管阳极层的厚度的90%的深度的二极管阳极层的侧向面。
该器件包括至少一个混合部分，其中二极管单元(即，二极管单元的二极管阳极层)与GCT单元(即，GCT单元的晶闸管阴极层(以及门电极和晶闸管基层))交替。
由于二极管缓冲层的引入，在分隔区的寄生BJT的侧向PNP增益并且因此门极阴极泄漏电流极大地降低，如图7所示。对于-20V的电压，泄漏电流从现有技术GBCT到发明的RC-GCT能够降低2/3。
对于图7至图9，从具有最大掺杂浓度为1×1017cm-3并且从晶圆表面到pn结的二极管阳极的厚度为20μm的二极管阳极层55的RC-GCT得到图表。
在这个示例中，二极管缓冲层具有1×1015cm-3的最大掺杂浓度以及从二极管阳极结到n漂移层的17μm的二极管缓冲层的厚度。二极管缓冲器的表面载流子浓度为7×1011cm-2。图10示出这个示例中使用的发明RE-GCT的二极管阳极层55、二极管缓冲层32和二极管漂移层3”的二极管单元中的掺杂剖面。
在一示范实施例中，侧向PNP增益可通过二极管阳极效率的弱化进一步降低。这可通过提供比晶闸管基层要低的厚度和/或要低的深度的二极管阳极层来实现。
BGCT的二极管阳极层的N二极管缓冲层不仅降低侧向PNP增益(二极管p阳极层、n漂移层和GCTp晶闸管基层之间)，而且还降低垂直PNP增益(p型GCT阳极层、n漂移层、二极管p阳极层)，由此通过增强二极管部分(图8的左侧部分)中的等离子体来改进GCT模式的BGCT的通态性能，因为二极管n缓冲层如图8所示充当器件的二极管部分中的增强层，而没有对BGCT的主要阻断能力的显著影响。
由于二极管n缓冲层的引入，分隔区宽度能够保持在最小数。由于从GCT区扩展到GCT模式的专用二极管区的等离子体，反过来也是一样，这允许晶圆面积(其可以示范性的是硅)的更好利用。
图9示出发明RC-GCT和现有技术RC-GCT的通态特性。它示出阳极电流与阳极电压。与现有技术RC-GCT相比，由于改进的等离子体分布(其在图8中示出)，发明RC-GCT由通态性能看来是优良的。
通过从属权利要求，按照本发明的其他优点将是显而易见的。
附图说明
下文中将参照附图更详细地说明本发明的主题，附图包括：
图1示出按照现有技术的BGCT的剖面；
图2示出发明RC-GCT的剖面；
图3和图4示出其他发明RC-GCT的剖面；
图5示出发明RC-GCT的顶视图；以及
图6示出另一个发明RC-GCT的顶视图；
图7示出发明RC-GCT与现有技术BGCT相比的门极阻断特性；以及
图8示出在与经过二极管单元和晶闸管单元的轴上的第一主侧平行的平面中的发明的RC-GCT与现有技术BGCT相比的通态特性；以及
图9示出对于阳极电流与阳极电压、发明RC-GCT与现有技术BGCT相比的通态特性；以及
图10示出二极管阳极层、二极管缓冲层到二极管漂移层的二极管单元中的掺杂剖面。
在参考标号列表中概括附图中使用的参考标号及其含意。一般来说，对相似或者相似机能的部件赋予相同参考标号。所述实施例意在作为示例而不是限制本发明。
具体实施方式
图2示出采取具有晶圆10的反向导通功率半导体器件1的形式的发明半导体器件，晶圆10具有第一侧11以及设置成与第一主侧11平行的第二主侧15。该器件包括多个二极管单元96和多个GCT单元91，其中每个GCT单元91包括按照下列顺序的在第一主侧11与第二主侧15之间的层：
-晶闸管阴极电极2，示范地采取阴极金属化层的形式，
-n+掺杂晶闸管阴极层4，示范地采取阴极金属化层的形式，
-p掺杂晶闸管基层6，
-n-掺杂晶闸管漂移层3’，
-n-掺杂晶闸管缓冲层8，
-p+掺杂晶闸管阳极层5，以及
-晶闸管阳极电极25，示范地采取阳极金属化层的形式。
每个GCT单元91还包括门电极7，其设置成侧向于晶闸管阴极层4并且通过晶闸管基层6与其分隔。在一示范实施例中，晶闸管缓冲层8具有最多1016cm-3的最大掺杂浓度。层的“侧向”将表示这类层在与第一主侧11平行的平面看来设置在彼此的侧向。示范地，晶闸管缓冲层8是与第一主侧11平行的平面中的晶圆的整个面积之上的连续缓冲层。晶闸管缓冲层8对应于其中比低掺杂漂移层3中高的掺杂浓度存在但是具有相同导电类型的区域。
多个这类GCT单元91形成反向导通半导体器件100的GCT部分。
GCT单元的第一主侧层(即，晶闸管阴极层4、晶闸管基层6连同门电极7)可对齐到所述GCT单元的第二主侧层(即，晶闸管阳极层5)。在未对齐的情况下，设置成最接近第一主侧层的晶闸管阳极层5将属于同一单元。因此，在未对齐的情况下，该器件可按照如下方式来设计：使得一个以上第二侧层可分配给单元或者其他一个第二侧层分配给两个单元。
各二极管单元96包括：二极管阳极电极28，示范地采取阳极金属化层的形式；第一主侧11上的p掺杂二极管阳极层55，其通过二极管漂移层3与晶闸管基层6分隔；漂移层3；第二主侧15上的n+掺杂二极管阴极层45，其与晶闸管阳极层5交替设置；以及二极管阴极电极。二极管阳极层55接触二极管阳极电极28。GCT单元的晶闸管阳极电极用作二极管单元96的二极管阴极电极。GCT单元的晶闸管阳极电极25在第二主侧15上延伸于其中设置GCT和二极管单元91、96的那个面积中的晶圆的整个平面之上。晶闸管阳极电极25在这类部分上形成二极管阴极电极，在其上，电极25接触二极管阴极层45。
在各二极管单元96中，n掺杂二极管缓冲层32设置在二极管阳极层55与漂移层3之间，使得二极管缓冲层32覆盖从第一主侧11至少到二极管阳极层55的厚度的90%的深度的二极管阳极层55的侧向面。二极管缓冲层具有比漂移层高的掺杂浓度。术语二极管阳极层55的“侧向面”将被理解为二极管阳极层55的这种部分，其从第一主侧11(晶圆10的表面)延伸到厚度的90%(沿与第一主侧11垂直的方向的二极管阳极层的最大延伸)。二极管缓冲层32还可包围二极管阳极层55的更深、中心设置部分，使得二极管缓冲层32将二极管阳极层55与漂移层3分隔。但是，在另一个实施例中，二极管缓冲层32可限制到侧向面，即，在二极管阳极层55的中心部分，可存在二极管阳极层55与漂移层3的接触。当然，二极管缓冲层32也可覆盖二极管阳极层55到超过90%二极管阳极层55厚度的侧向面，但是仍然具有在二极管阳极层55的中心部分中开放的到漂移层3的接触区。二极管阳极层的厚度将被理解为沿与第一主侧11垂直的方向的二极管阳极层55的最大延伸。
二极管阳极层55可具有3～30μm、示范地为10～20μm或者10～15μm的厚度。晶闸管基层6示范地具有厚度，其大于二极管阳极层55的厚度，示范地为3至10倍大。在一示范实施例中，二极管阳极层的厚度在20～120μm之间。
二极管阳极层55示范地具有在1×1016～1×1018cm-3、示范地为5×1016～5×1017cm-3的范围中的最大载流子浓度，而晶闸管基层6可具有至少5×1016cm-3、示范地在1×1017～1×1018cm-3的范围中的最大载流子浓度。
二极管缓冲层32对应于其中比低掺杂漂移层3中高的掺杂浓度存在但是具有相同导电类型的区域。
在一示范实施例中，晶闸管基层6具有比二极管阳极层55的最大载流子浓度高的最大载流子浓度。因此，在另一个实施例中，晶闸管基层6比二极管阳极层55更厚和更高地掺杂。在那种情况下，在二极管阳极层中存在较小注入效率，并且因此比具有更深二极管阳极层55的器件需要较小使用期限控制。
在另一个示范实施例中，二极管缓冲层32具有最多2×1012cm-2的表面载流子浓度。二极管缓冲层的表面载流子浓度将对应于在该深度之上、即沿与第一主侧11垂直的方向所集成二极管缓冲层的掺杂浓度。二极管缓冲层32的最大掺杂浓度示范地为最多2×1016cm-3、示范地为最多2×1015cm-3。取决于二极管缓冲层32的厚度，适配最大掺杂浓度，并且反之，即，具有更高厚度的二极管缓冲层具有比具有更低厚度(但是更高的最大掺杂浓度)的二极管缓冲层要低的最大掺杂尝试。
晶圆中具有低n-掺杂尝试的那个部分(其设置在第一主侧11与第二主侧15之间的平面中)形成漂移层3。漂移层3包括晶闸管漂移层3’和二极管漂移层3”，即，晶闸管和二极管漂移层3’、3”示范地具有相同掺杂浓度。它作为连续层来形成。漂移层3将是低掺杂浓度的层。示范地，漂移层3具有恒定低掺杂浓度。其中，漂移层3的基本上恒定的掺杂浓度表示掺杂浓度在整个漂移层上是基本上同质的，但是没有排除大约为一至五倍的漂移层中的掺杂浓度的波动因例如外延生长过程中的波动而也许可能存在。因应用需要而选择最终漂移层厚度32和掺杂浓度。漂移层3的示范掺杂浓度在5×1012cm-3与5×1014cm-3之间。
二极管单元的第一主侧层(即，二极管阳极层55)可对齐到所述二极管单元(即，二极管阴极层45)的第二主侧层。在未对齐的情况下，设置成最接近第一主侧层的二极管阴极层45将属于同一单元。因此，在未对齐的情况下，该器件可按照如下方式来设计：使得一个以上第二侧层可分配给单元或者其他一个第二侧层分配给两个单元。
二极管单元96通过分隔区35(其由n掺杂层来形成)与GCT单元91分隔。示范地，在分隔区35中，漂移层3设置在二极管与GCT单元96、91之间，以及漂移层3延伸到第一主侧11。分隔区35也能够将标准边缘端接技术用于反向偏置条件下的改进场扩展。在一示范实施例中，分隔区35具有5～200μm或者20～100μm的宽度。
在一备选实施例中，二极管缓冲层32可延伸到分隔区35中，它甚至可如图3所示在分隔区35中朝第一主侧11完全覆盖漂移层3。由此，二极管缓冲层32将二极管阳极层55与二极管漂移层3”分隔。
使用期限限制（lifetimekilling）层可至少设置在二极管单元96中。这能够通过在创建期限使用掩模或者将侧向限制离子束应用到二极管单元96上将使用期限限制层限制到二极管单元96进行。在另一个示范实施例中，使用期限限制层可作为连续层在一个平面中的晶圆的整个面积之上形成，该平面设置成与主侧平行。与使用期限限制层是否限制到二极管单元96或者制作为连续层无关，该器件示范地采用质子或氦离子来辐射以供创建使用期限限制层，之后接着退火步骤。
“深度”将表示层从侧面延伸到并且其上设置层的最大距离，即，对于p晶闸管基层6，它是从第一主侧11并且沿与第一主侧11的正交投影的最大距离。第一主侧11将设置在那个平面中，门电极7从晶圆10投影到其上。
该器件包括至少一个混合部分99，其中二极管单元96与GCT单元91交替。在一示范实施例中，二极管单元96设置成使得一个二极管单元96设置在两个相邻GCT单元91之间。那就意味着，各二极管单元96设置成使得一个二极管阳极层55设置在两个相邻GCT单元91之间、即属于这些GCT单元91的晶闸管阴极层4和/或其门电极7之间。
在另一个示范实施例中，可存在多个GCT单元91，其设置成彼此直接相邻，使得二极管单元96与GCT单元91的比率在1:一直到1:5之间改变。二极管单元96的数量定义为二极管阳极层55的数量，以及对于GCT单元91，定义为晶闸管阴极层4的数量。又对于混合部分99，二极管单元96将被理解为二极管阳极层55和GCT单元91的布置，作为晶闸管阴极层4的布置。
在针对二极管单元96的定位的本专利申请中，它将被理解为二极管阳极层55的定位，即，二极管单元96的第一主侧层的定位。针对GCT单元91的定位，它将被理解为晶闸管阴极层4(以及门电极7和晶闸管基层6)的定位、即GCT单元91的第一主侧层的定位。
在另一个示范实施例中，第一主侧11上的结构对齐到第二主侧15的结构。那就意味着，在二极管单元96中，二极管阳极层55设置成投影到二极管阴极层45/与二极管阴极层45相对。在GCT单元91中，晶闸管阴极层4和门电极7设置成正交投影到晶闸管阳极层5/与晶闸管阳极层5相对。在另一个示范实施例中，二极管阴极层45设置成正交投影到某个面积(其最多通过直接相邻GCT单元的晶闸管阴极层4的正交投影面积来限制)中的二极管阳极层55。备选地，在第一主侧层与第二主侧层之间没有存在对齐。
在另一个实施例中，至少存在与二极管单元91同样多的GCT单元96。比率例如能够至少为1:3，以便实现良好GCT性能。甚至通过这种比率，仍然存在足够的二极管单元96，以确保在二极管模式的良好性能。
二极管单元96可具有这种小尺寸，使得在GCT模式的器件的操作期间，等离子体在二极管单元96中是可形成的。这种效应可通过在与第一主侧11平行的平面中具有50一直到500μm的最大侧向延伸的二极管单元96的至少一个或全部来实现。为了实现该效应，GCT单元91的至少一个或全部也可在与第一主侧11平行的平面中具有50一直到500μm的最大侧向延伸。在另一个示范实施例中，GCT和二极管单元的至少一个或全部在与第一主侧11平行的平面中具有50一直到500μm的最大侧向延伸。单元的侧向延伸能够被理解为两个相邻单元之间的距离，即，二极管阳极层55与直接相邻GCT单元的第一主侧层其中之一之间或者两个直接相邻GCT单元的第一主侧层之间的距离。
晶闸管阴极层4包括一个第一半部分，其设置成比第二半部分要更接近二极管阴极层45。其中设置二极管阴极层45的面积可通过二极管单元面积惯用语直接相邻GCT单元91的第一阴极层4的第一半部分的正交投影面积进一步限制。那就意味着，二极管阴极层45设置成正交投影到面积(其最多通过直接相邻GCT单元91(其设置到所述二极管阴极层45)的晶闸管阴极层4的那个半部分的正交投影面积来限制)中二极管阳极层55。
与第一主侧11平行的平面中的二极管阴极层45的总面积能够示范地选择为总晶圆面积的10至30%。
如图4所示，二极管阴极层45可由与第二导电类型的p+掺杂阳极短区51交替的分布式阴极区451来形成。阳极短区51不必与第一主侧11上的器件的结构、即二极管阴极层45以及晶闸管阳极层5对齐，并且阳极短区51不必定位成分别正交投影到二极管阳极层55或晶闸管阴极层4。
为了允许GCT到二极管模式之间的快速切换，二极管单元96(即，二极管阳极层55)可均匀地分布在混合部分99中的晶圆面积之上。
如图6所示，具有晶圆10上的引导GCT部分9也可以是有利的，其仅由GCT单元91(示范地为6个或更多、示范地为至少10个)组成，其彼此直接相邻，并且在引导GCT部分9中没有二极管单元。那就意味着，多个第一阴极层4、晶闸管基层6和门电极7设置成相互直接相邻，而在它们之间无需具有二极管阳极层4。这种引导GCT部分9在第一主侧11上由晶闸管阴极层4和门电极7(连同公共连续晶闸管基层6)组成，其设置成彼此直接相邻，而在它们之间无需具有二极管阳极层4。
这种引导GCT部分9能够是单个引导GCT部分，或者可存在设置在器件中的多个、即两个或更多这类GCT部分。GCT引导部分9的总面积能够是总晶圆面积的10至50%。通过这种引导GCT部分9，能够改进器件的导通性能。
在又一实施例中，晶圆10具有圆形的形状，以及第一阴极层4和二极管阳极层55作为带径向设置到圆的中心。二极管单元96可按照规则方式设置在如图5所示的圆的中心。在另一个备选方案中，存在引导GCT部分9，其与段交替地设置在圆的段中，其中GCT单元95与二极管单元91交替，因而形成与GCT单元91和二极管单元96相混合的面积99。
在另一个实施例中，切换导电类型，即，第一导电类型的所有层为p型(例如漂移层3)，而第二导电类型的所有层为n型(例如晶闸管基层6)。
应当注意，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。也可组合与不同实施例结合描述的元件。还应当注意，权利要求书中的参考标号不应当理解为限制权利要求的范围。
这些示例将不是限制本发明的范围。上述设计和布置只是晶闸管基层和阱(区域)的任何种类的可能设计和布置的示例。
本领域的技术人员将会理解，本发明能够按照其他特定形式来实施，而没有背离其精神或本质特性。因此，当前公开的实施例在所有方面均认为是说明性而不是限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书、而不是由以上描述来指明，并且落入含意和范围及其等效性之内的所有变更意在包含于其中。
附图标记说明
1　反向导通功率半导体器件
10　晶圆
11　第一主侧
15　第二主侧
100现有技术反向导通功率半导体器件
2　晶闸管阴极电极
25　晶闸管阳极电极
28　和二阳极电极
3、3’、3”漂移层
32　二极管缓冲层
35　分隔层
4　晶闸管阴极层
41　半部分
45　二极管阴极层
451分布式阴极区
5　晶闸管阳极层
51　阳极短区
55　二极管阳极层
6　晶闸管基层
7　门电极
75　门极触点
8　缓冲层
9　引导GCT部分
91　GCT单元
96　二极管单元
97　单个二极管
99　混合GCT/二极管部分。

Claims (15)

1.一种使用具有第一主侧(11)和设置成与所述第一主侧(11)平行的第二主侧(15)的晶圆(10)的反向导通功率半导体器件(1)，所述器件包括多个二极管单元(96)和多个GCT单元(91)，其中每个GCT单元(91)包括按照下列顺序的在所述第一与第二主侧(11，15)之间的层：
-晶闸管阴极电极(2)，
-第一导电类型的晶闸管阴极层(4)，
-与所述第一导电类型不同的第二导电类型的晶闸管基层(6)，
-所述第一导电类型的漂移层(3)，
-所述第一导电类型的晶闸管缓冲层(8)，
-所述第二导电类型的晶闸管阳极层(5)，
-晶闸管阳极电极(25)，
其中每个GCT单元(91)还包括门电极(7)，其设置成侧向于所述晶闸管阴极层(4)并且通过所述晶闸管基层(6)与所述晶闸管阴极层(4)分隔，
各二极管单元(96)包括所述第一主侧(11)上的二极管阳极电极(28)、通过所述漂移层(3)与所述晶闸管基层(6)分隔的所述第二导电类型的二极管阳极层(55)、漂移层(3)、与所述晶闸管阳极层(5)交替设置在所述第二主侧(15)上的所述第一导电类型的二极管阴极层(45)和二极管阴极电极，
并且所述器件包括至少一个混合部分(99)，其中所述二极管单元(96)的所述二极管阳极层(55)与所述GCT单元(91)的所述第一阴极层(4)交替，其特征在于，
在至少一个二极管单元(96)中，所述第一导电类型的二极管缓冲层(32)设置在所述二极管阳极层(55)与所述漂移层(3)之间，使得所述二极管缓冲层(32)覆盖从所述第一主侧(11)至少到所述二极管阳极层(55)的厚度的90%的深度的所述二极管阳极层(55)的侧向面。
2.如权利要求1所述的器件(1)，其特征在于，所述二极管缓冲层(32)完全覆盖所述二极管阳极层(55)。
3.如权利要求1或2中的任一项所述的器件(1)，其特征在于，所述二极管阳极层(55)具有3～30μm或10～20μm或10～15μm的厚度。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的器件(1)，其特征在于，所述晶闸管基层(6)具有比所述二极管阳极层(55)的厚度大的厚度。
5.如权利要求4所述的器件(4)，其特征在于，所述晶闸管基层(6)具有所述二极管阳极层(55)的厚度的3至10倍的厚度。
6.如权利要求1至5中的任一项所述的器件(1)，其特征在于，所述晶闸管基层(6)具有在20～120μm之间的范围的厚度。
7.如权利要求1至6中的任一项所述的器件(1)，其特征在于，所述二极管缓冲层(32)具有最多2×1012cm-2的表面载流子浓度。
8.如权利要求1至7中的任一项所述的器件(1)，其特征在于，所述二极管缓冲层(32)具有最多2×1016cm-3或者最多1×1015cm-3的最大载流子浓度。
9.如权利要求1至8中的任一项所述的器件(1)，其特征在于，所述二极管阳极层(55)具有在1×1016～1×1018cm-3或者5×1016～5×1017cm-3的范围的最大载流子浓度。
10.如权利要求1至9中的任一项所述的器件(1)，其特征在于，所述晶闸管基层(6)具有比所述二极管阳极层(55)的最大载流子浓度高的最大载流子浓度。
11.如权利要求1至10中的任一项所述的器件(1)，其特征在于，所述晶闸管阳极层(6)具有至少5×1016cm-3或者在1×1017～1×1018cm-3的范围的最大载流子浓度。
12.如权利要求1至11中的任一项所述的器件(1)，其特征在于，所述器件(1)包括至少一个引导GCT部分(9)，其包括多个第一阴极层(4)和门电极(7)，其设置成彼此直接相邻，而在它们之间没有二极管阳极层(4)。
13.如权利要求1至12中的任一项所述的器件(1)，其特征在于，所述二极管阳极层(55)均匀地分布于所述混合部分(99)中的所述晶圆面积之上。
14.如权利要求1至13中的任一项所述的器件(1)，其特征在于，所述二极管单元(96)的所述第一主侧部分到所述GCT单元(91)的所述第一主侧部分或者所述GCT单元(91)的两个相邻第一主侧部分之间的至少一个或全部相互之间在与所述第一主侧(11)平行的平面中具有50一直到500μm的最大侧向距离。
15.如权利要求1至14中的任一项所述的器件(1)，其特征在于，所述二极管阴极层(45)设置成在最多通过所述直接相邻GCT单元(91)的所述晶闸管阴极层(4)的正交投影面积来限制的面积中正交投影到二极管阳极层(55)。
CN201510360418.8A 2014-06-26 2015-06-26 反向导通功率半导体器件 Active CN105226057B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP14174099.3A EP2960941B1 (en) 2014-06-26 2014-06-26 Reverse-conducting power semiconductor device
EP14174099.3 2014-06-26

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105226057A true CN105226057A (zh) 2016-01-06
CN105226057B CN105226057B (zh) 2018-10-19

Family

ID=50981016

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510360418.8A Active CN105226057B (zh) 2014-06-26 2015-06-26 反向导通功率半导体器件

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9385223B2 (zh)
EP (1) EP2960941B1 (zh)
JP (1) JP6088586B2 (zh)
KR (1) KR101851828B1 (zh)
CN (1) CN105226057B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107863384A (zh) * 2017-10-20 2018-03-30 西安理工大学 注入增强缓冲层结构和含该结构的SiC光触发晶闸管
CN109411548A (zh) * 2018-10-30 2019-03-01 深圳市金鑫城纸品有限公司 功率二极管及其制备方法
WO2020134177A1 (zh) * 2018-12-27 2020-07-02 清华大学 一种具有反向通流功能的器件
CN115336002A (zh) * 2020-03-31 2022-11-11 日立能源瑞士股份公司 具有栅极流道的关断功率半导体装置

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3073530B1 (en) * 2015-03-23 2017-05-03 ABB Schweiz AG Reverse conducting power semiconductor device
JP2023514535A (ja) 2020-02-03 2023-04-06 ヒタチ・エナジー・スウィツァーランド・アクチェンゲゼルシャフト 逆導通パワー半導体デバイスおよびその製造方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0200863A1 (de) * 1985-03-20 1986-12-17 BBC Brown Boveri AG Halbleiterbauelement mit Thyristor- und Diodenstrukturen
CN101853878A (zh) * 2010-06-03 2010-10-06 西安理工大学 一种pnp-沟槽复合隔离RC-GCT器件及制备方法
CN102969245A (zh) * 2012-12-07 2013-03-13 株洲南车时代电气股份有限公司 一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法
CN103119715A (zh) * 2010-09-29 2013-05-22 Abb技术有限公司 反向导通功率半导体器件

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61232671A (ja) * 1985-04-08 1986-10-16 Fuji Electric Co Ltd 逆導通ｇｔｏサイリスタ
JPH07111325A (ja) * 1993-10-14 1995-04-25 Toshiba Corp 逆導通ゲートターンオフサイリスタ
JPH0786567A (ja) * 1993-09-14 1995-03-31 Toshiba Corp 半導体装置
JPH07130984A (ja) * 1993-11-04 1995-05-19 Toyota Autom Loom Works Ltd Ｍｏｓゲート半導体装置
JPH07176720A (ja) * 1993-12-17 1995-07-14 Toyo Electric Mfg Co Ltd 電界緩和分離構造を有する逆導通型サイリスタ
JPH07273354A (ja) * 1994-03-31 1995-10-20 Shindengen Electric Mfg Co Ltd ダイオ−ド
JP3968912B2 (ja) * 1999-05-10 2007-08-29 富士電機デバイステクノロジー株式会社 ダイオード
JP2005191388A (ja) * 2003-12-26 2005-07-14 Mitsumi Electric Co Ltd ラテラルｐｎｐトランジスタ

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0200863A1 (de) * 1985-03-20 1986-12-17 BBC Brown Boveri AG Halbleiterbauelement mit Thyristor- und Diodenstrukturen
CN101853878A (zh) * 2010-06-03 2010-10-06 西安理工大学 一种pnp-沟槽复合隔离RC-GCT器件及制备方法
CN103119715A (zh) * 2010-09-29 2013-05-22 Abb技术有限公司 反向导通功率半导体器件
CN102969245A (zh) * 2012-12-07 2013-03-13 株洲南车时代电气股份有限公司 一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107863384A (zh) * 2017-10-20 2018-03-30 西安理工大学 注入增强缓冲层结构和含该结构的SiC光触发晶闸管
CN109411548A (zh) * 2018-10-30 2019-03-01 深圳市金鑫城纸品有限公司 功率二极管及其制备方法
WO2020134177A1 (zh) * 2018-12-27 2020-07-02 清华大学 一种具有反向通流功能的器件
CN115336002A (zh) * 2020-03-31 2022-11-11 日立能源瑞士股份公司 具有栅极流道的关断功率半导体装置
CN115336002B (zh) * 2020-03-31 2023-08-18 日立能源瑞士股份公司 具有栅极流道的关断功率半导体装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP2960941B1 (en) 2017-01-04
KR101851828B1 (ko) 2018-04-24
KR20160001667A (ko) 2016-01-06
JP2016009871A (ja) 2016-01-18
US20160013302A1 (en) 2016-01-14
US9385223B2 (en) 2016-07-05
CN105226057B (zh) 2018-10-19
JP6088586B2 (ja) 2017-03-01
EP2960941A1 (en) 2015-12-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11081481B2 (en) Semiconductor device with an IGBT region and a non-switchable diode region
CN105226057A (zh) 反向导通功率半导体器件
US7557386B2 (en) Reverse conducting IGBT with vertical carrier lifetime adjustment
EP2622639B1 (en) Reverse-conducting power semiconductor device
CN105531825A (zh) 半导体装置及半导体装置的制造方法
JP6676947B2 (ja) 半導体装置
KR102382856B1 (ko) 이중-베이스 양방향 양극성 트랜지스터의 두 대향면 상의 필드 플레이트: 장치, 방법 및 시스템
US8836090B1 (en) Fast recovery switching diode with carrier storage area
US8304814B2 (en) Power semiconductor device
AU2014294820B2 (en) Mos-bipolar device
CN102044543B (zh) 一种单片集成igbt和frd的半导体器件
CN112201688A (zh) 逆导型igbt芯片
CN101002329A (zh) Soi垂直的双极型功率器件
CN107768443B (zh) 超结器件及其制造方法
US10205013B2 (en) Semiconductor switching element and method of manufacturing the same
CN108899363B (zh) 能降低导通压降和关断损耗的沟槽栅igbt器件
US9704954B2 (en) Semiconductor device and a method for forming a semiconductor device
CN116093152A (zh) 半导体器件
WO2015078657A1 (en) Reverse-conducting power semiconductor device
CN106033772A (zh) 一种具有改善安全工作区的igbt器件及其制造方法
CN116913957A (zh) 沟槽栅igbt器件及其制备方法
CN115881762A (zh) Igbt功率器件
CN115148801A (zh) 绝缘栅双极型晶体管装置及其制备方法
WO2006025034A2 (en) Semiconductor device

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20180528

Address after: Baden, Switzerland

Applicant after: ABB Switzerland Co.,Ltd.

Address before: Zurich

Applicant before: ABB TECHNOLOGY Ltd.

TA01 Transfer of patent application right
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20210623

Address after: Baden, Switzerland

Patentee after: ABB grid Switzerland AG

Address before: Baden, Switzerland

Patentee before: ABB Switzerland Co.,Ltd.

TR01 Transfer of patent right
CP01 Change in the name or title of a patent holder

Address after: Swiss Baden

Patentee after: Hitachi energy Switzerland AG

Address before: Swiss Baden

Patentee before: ABB grid Switzerland AG

CP01 Change in the name or title of a patent holder
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20240124

Address after: Zurich, SUI

Patentee after: Hitachi Energy Co.,Ltd.

Country or region after: Switzerland

Address before: Swiss Baden

Patentee before: Hitachi energy Switzerland AG

Country or region before: Switzerland

TR01 Transfer of patent right