CN105679745A - 具有晶体管单元和热电阻元件的半导体器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有晶体管单元和热电阻元件的半导体器件。半导体器件（500）包含被电耦合到晶体管单元（TC）的源极区（110）的第一负载端子（L1）。栅极端子（G）被电耦合到栅极电极（155），所述栅极电极（155）被电容地耦合到晶体管单元（TC）的本体区（115）。源极和本体区（110、115）被形成在半导体部分（100）中。热电阻元件（400）被热连接到半导体部分（100）并且被电耦合在栅极端子（G）与第一负载端子（L1）之间。在为半导体器件规定的最大操作温度（TJMax）之上，热电阻元件（400）的电阻在至多50开氏温度的临界温度跨度之内降低至少两个数量级。

Description

具有晶体管单元和热电阻元件的半导体器件
背景技术
在短路的情况下，功率半导体开关器件的负载电流增加到饱和电流Isat（Vge）并且强烈地加热半导体开关器件。典型地，去饱和电路通过比较横跨半导体器件的电压降与阈值电压来探测短路条件。如果电压降超过阈值电压，去饱和电路关闭半导体开关器件的栅极信号以便避免它的热破坏。
期望提高功率半导体开关器件在短路时的可靠性。
发明内容
用独立权利要求的主题来实现目标。从属权利要求涉及进一步的实施例。
根据实施例，半导体器件包含被电耦合到晶体管单元的源极区的第一负载端子。栅极端子被电耦合到栅极电极，所述栅极电极被电容地耦合到晶体管单元的本体区。源极和本体区被形成在半导体部分中。热电阻元件被热连接到半导体部分并且被电连接在栅极端子与第一负载端子之间。在为半导体器件规定的最大操作温度之上，热电阻元件的电阻在至多50开氏温度的临界温度跨度之内改变至少两个数量级。
根据实施例，电气系统包含被电耦合到晶体管单元的源极区的第一负载端子。栅极端子被电耦合到栅极电极，所述栅极电极被电容地耦合到晶体管单元的本体区。源极和本体区被形成在半导体部分中。热电阻元件被热连接到半导体部分并且被电连接在栅极端子与第一负载端子之间。在为半导体器件规定的最大操作温度之上，热电阻元件的电阻在至多50开氏温度的临界温度跨度之内改变至少两个数量级。
本领域中的那些技术人员通过阅读下面的具体描述并且通过浏览附图将认识附加的特征和优点。
附图说明
附图被包含以提供本发明的进一步的理解并且被结合在本说明书中并组成本说明书的一部分。附图图解本发明的实施例并且与描述一起用于解释本发明的原则。本发明的其他实施例和预期的优点将容易被领会到，因为它们通过参考下面的具体描述变得更好理解。
图1A是根据实施例的半导体器件的部分的示意横截面视图，所述实施例有关在第一负载端子与栅极端子之间的热电阻元件。
图1B是示出根据实施例的图1A的半导体器件中的热电阻元件的电阻/温度特性的示意图。
图1C是示出根据进一步的实施例的图1A的半导体器件中的热电阻元件的电阻/温度特性的二阶导数的示意图。
图2A是根据实施例的半导体器件的部分的示意横截面视图，所述实施例有关夹在半导体部分的第一表面之上的第一负载电极与栅极导体之间的热电阻元件。
图2B是根据实施例的半导体器件的部分的示意横截面视图，所述实施例有关夹在第一负载电极与栅极电极之间的热电阻元件。
图2C是根据实施例的半导体器件的部分的示意横截面视图，所述实施例有关夹在栅极电极与源极区之间的热电阻元件。
图3A是根据实施例的具有热电阻元件的功率半导体开关器件的栅极电路的示意等效电路图。
图3B是示出根据涉及10Ω的栅极电阻的实施例作为热电阻元件的电阻的函数的栅极电压和栅极泄露电流的示意图。
图3C是示出根据涉及33Ω的栅极电阻的实施例作为热电阻元件的电阻的函数的栅极电压和栅极泄露电流的示意图。
图4是根据有关基于双金属结构的热电阻元件的实施例的半导体器件的部分的示意图。
图5是根据实施例的半导体器件的部分的示意图，所述实施例有关基于具有负温度系数的二极管元件的热电阻元件。
图6A是处于高传导状态的根据实施例的半导体器件的部分的示意横截面视图，所述实施例有关基于包围在电介质壳中的金属颗粒的热电阻元件。
图6B是处于低传导状态的图6A的半导体器件部分的示意横截面视图。
图7A是处于高传导状态的根据实施例的半导体器件的部分的示意横截面视图，所述实施例有关基于塑弹性金属颗粒的热电阻元件。
图7B是处于低传导状态的图7A的半导体器件部分的示意横截面视图。
图8A是根据有关过温度探测的实施例的电气系统的示意框图。
图8B是根据有关不可自复位热电阻元件的复位的实施例的电气系统的示意框图。
图8C是根据实施例的半导体器件的简化电路图，所述实施例与不可自复位热电阻元件的外部复位相关。
具体实施方式
在下面的具体描述中，参考了形成本文的一部分的附图，并且在所述附图中以图解的方式示出了在其中可以实践本发明的特定实施例。将理解的是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以进行结构的或逻辑的改变。例如，针对一个实施例图解或描述的特征能够被用在其他实施例上或者与其他实施例联合使用以产生又一个实施例。旨在本发明包含这样的修改和变化。使用特定的语言描述了示例，这不应该被解释为限制所附的权利要求的范围。附图不是成比例的并且仅仅是为了图解的目的。如果不另外声明，在不同的附图中分别由相同参考符号来指定相应的元件。
术语“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放性的，并且所述术语指示声明的结构、元件或特征的存在但不排除附加的元件或特征。冠词“一”、“一个”和“该”旨在包含复数以及单数，除非上下文清楚地另外指示。
术语“电连接”描述在电连接的元件之间的永久低欧姆连接，例如在有关元件之间的直接接触或者经由金属和/或高掺杂的半导体的低欧姆连接。术语“电耦合”包含：可以在电耦合元件之间提供适配于信号传输的一个或多个介入元件，例如电阻器或是可控的以暂时提供在第一状态中的低欧姆连接和在第二状态中的高欧姆电去耦合的元件。
图1A-1C涉及包含多个同样的绝缘栅场效应晶体管单元TC的半导体器件500。半导体器件500可以是或者可以包含IGFET，例如平常含义中的包含具有金属栅极的FET以及具有非金属栅极的FET的MOSFET（金属氧化物半导体FET）。根据另一个实施例，半导体器件500可以是IGBT（绝缘栅双极型晶体管）。
半导体器件500基于来自例如以下各项的单晶半导体材料的半导体部分100：硅（Si）、碳化硅（SiC）、锗（Ge）、锗化硅晶体（SiGe）、氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）或任何其他AIIIBV半导体。半导体部分100具有在前侧处的第一表面101和在相对的后侧处的第二表面102。与第一和第二表面101、102正交的方向是垂直方向并且与第一和第二表面101、102平行的方向是水平方向。
第一和第二表面101、102之间的最小距离取决于为半导体器件500规定的电压阻断能力。例如，针对被规定为大约1200V的阻断电压的半导体器件500，第一和第二表面101、102之间的距离可以在从90μm至200μm的范围中。具有较高阻断能力的半导体器件500可以包含具有数百μm的厚度的半导体部分100，然而具有较低的阻断能力的半导体器件500的半导体部分100可以具有35μm至90μm的厚度。在平行于第一表面101的平面中，半导体部分100可以具有近似的矩形形状或者可以具有圆形形状，所述矩形形状具有在数毫米的范围中的边缘长度，所述圆形形状具有数厘米的直径。
在半导体部分100中，晶体管单元TC的本体区115与漂移和后侧结构120形成第一pn结pn1并且与晶体管单元TC的源极区110形成第二pn结pn2。
沿着第二表面102，漂移和后侧结构120包含重n掺杂或p掺杂的接触层129，其可以是基底衬底或重掺杂的层。沿着第二表面102，接触层129中的掺杂剂浓度是足够高的以形成与直接邻接第二表面102的金属的欧姆接触。在半导体部分100基于硅的情况下，在n传导的接触层129中，沿着第二表面102的掺杂剂浓度可以是至少1E18cm-3，例如至少5E19cm-3。在p传导的接触层129中，掺杂剂浓度可以是至少1E16cm-3，例如至少2E17cm-3。
漂移和后侧结构120进一步包含与本体区115形成第一pn结pn1的漂移区121。在漂移区121中，掺杂剂浓度至少在它的垂直延伸的部分中可以随着到第一表面101的距离增加而逐渐地或逐步地增加或降低。根据其他实施例，漂移区121中的掺杂剂浓度在垂直方向中可以是近似一致的。漂移区121中的平均掺杂剂浓度可以在5E12cm-3与1E17cm-3之间，即在从1E13cm-3至5E14cm-3的范围中。
漂移和后侧结构120可以进一步包含掺杂区，例如将漂移区121与接触层129分离的场阻止层128，其中场阻止层128中的平均掺杂剂浓度可以是漂移区121中的平均掺杂剂浓度的至少五倍以及接触层129中的最大掺杂剂浓度的至多五分之一。
栅极结构150被形成在前侧处。栅极结构150可以包含形成在半导体部分100的轮廓外侧的平面栅极或者从第一表面101延伸到半导体部分100中的沟槽栅极。
栅极结构150包含传导的栅极电极155，所述传导的栅极电极155可以包含重掺杂的多晶硅层和/或含金属层，或者由重掺杂的多晶硅层和/或含金属层组成。栅极电极155与半导体部分100完全绝缘，其中栅极电介质151将栅极电极155至少与本体区115分离。栅极电介质151将栅极电极155电容地耦合到本体区115的沟道部分。栅极电介质151可以包含以下各项或者由以下各项组成：半导体氧化物，例如热生长或沉积的氧化硅；半导体氮化物，例如沉积的或热生长的氮化硅；半导体氮氧化物，例如氮氧化硅；或者其组合。
在图解的实施例中并且针对下面的描述，晶体管单元TC是具有p掺杂的本体区115和n掺杂的源极和漂移区110、121的n沟道IGFET单元。如以下概述的相似的考虑也适用于包含具有互补掺杂的p沟道IGFET单元的实施例。接触层129在半导体器件500是或包含n-FET的情况下可以是n掺杂的或者在半导体器件500是或包含n沟道IGBT的情况下可以是p掺杂的。
当施加到栅极电极150的电压超过预设的阈值电压时，电子积聚在直接邻接栅极电介质151的本体区115的沟道部分中并且形成反型沟道，从而使得第二pn结pn2对于电子是可透过的。
栅极电极155被电连接或耦合到半导体器件500的栅极端子G。
晶体管单元TC的源极区110和本体区115被电连接到第一负载端子L1，所述第一负载端子L1在半导体器件500是IGFET的情况下可以是源极端子或者在半导体器件500是IGBT的情况下可以是发射极端子。接触层129被电连接到第二负载端子L2，所述第二负载端子L2在半导体器件500是IGFET的情况下可以是漏极端子或者在半导体器件500是IGBT的情况下可以是集电极端子。
热电阻元件400被热连接到半导体部分100并且被电耦合或连接到栅极端子G和第一负载端子L1两者。热电阻元件400的电阻在至多50开氏温度例如至多30开氏温度或者甚至至多15开氏温度的临界温度跨度之内降低至少两个数量级、三个数量级或者甚至四个数量级，其中临界温度跨度从设定温度TSet开始。设定温度TSet是在为半导体器件500规定的最大操作温度TJMax之上至多50开氏温度，例如至多30开氏温度或者甚至至多15开氏温度。典型地，IGFET和IGBT的数据表将最大结温度定义为最大操作温度TJMax。
根据实施例，最大操作温度TJMax是175摄氏度。根据另一个实施例，最大操作温度TJMax是200摄氏度。临界温度跨度可以是至多30开氏温度，例如至多15开氏温度。设定温度TSet可以是在最大操作温度TJMax之上至多30开氏温度。
在为半导体器件500规定的低于最大操作温度TJMax的操作温度范围之内，热电阻元件400的电阻改变例如至多四个数量级或甚至更多、或者至多三个数量级。例如，操作温度范围可以是从-40摄氏度或者从25摄氏度到TJMax。
图1B示出基于碲化锗GeTe的热电阻元件400的比电阻/温度特性401。根据图解的示例，最大操作温度TJMax是175摄氏度并且设定温度TSet是近似190摄氏度。临界温度跨度TRlx-TSet是大约40开氏温度。在TSet与TRlx之间，比电阻从大约0.3Ωm处的第一值r1降低到大约6E-06Ωm处的第二值r2。在T0=25摄氏度与TJMax之间的操作温度范围之内，比电阻降低不多于两个数量级。
根据图1C，根据进一步的实施例的电阻/温度特性的二阶导数403包含指示靠近TSet的第一温度T1和靠近TRlx的第二温度T2的两个局部极值，在所述第一温度T1处电阻的减少率的增加具有最大值，在所述第二温度T2处电阻的递减率具有最大值。根据实施例，T2与T1之间的温度差别是至多30开氏温度，例如至多20开氏温度。
在半导体器件500的操作温度范围之内，热电阻元件400持续地具有高电阻值使得栅极驱动器可以驱动施加到栅极电极155的栅极电势而不干扰第一负载端子L1处的电势。当半导体器件500的半导体部分100加热到超出规定的最大操作温度TJMax时，热电阻元件400的电阻值急剧地降低并且迅速地将施加到栅极端子G的信号与第一负载端子L1处的电势短路。晶体管单元TC断开并且半导体器件500能够在由于过温度条件而被毁坏之前冷却。
根据实施例，热电阻元件400可以是可自复位的并且当半导体部分100冷却到低于设定温度TSet时自动恢复高阻抗状态。根据另一个实施例，热电阻元件400不是可自复位的并且仅仅在已经被暴露到高于设定温度TSet的复位温度TRes达短时间之后恢复高阻抗状态。
传统的去饱和电路通过将横跨半导体部分100的电压降与参考电压相比较来探测短路条件。当横跨半导体部分100的电压降超过参考电压时，去饱和电路关闭栅极信号。去饱和电路典型地进一步包含保护栅极驱动器电路免受高电压的过电压保护电路以及在半导体器件500的接通期间禁用去饱和电路以便避免将接通误解为去饱和条件的停机时间电路。进一步，附加的导线连接将半导体器件500的传感输出端子与去饱和电路的传感输入端子连接。另外，连接线上的寄生电感可以显著地延迟去饱和状态的探测。作为代替，热电阻元件400迅速地探测去饱和状态并且对去饱和状态作出反应，而不需要传感端子、附加的传感配线以及复杂的去饱和电路。
与具有较不陡峭的电阻/温度特性的平常NTC（负温度系数）电阻器相比，热电阻元件400避免栅极驱动器针对缓慢降低的输出阻抗驱动栅极信号，由此加热栅极驱动器并且由于增加的通过NTC电阻器的栅极电流而加热与NTC电阻器热连接的半导体部分100的区段。通过栅极驱动器加热NTC电阻器可以导致在半导体部分100中不对称的和破坏性的温度分布。
图2A至2C有关热电阻元件400的放置和热耦合。热电阻元件400可以直接邻接半导体部分100使得热电阻元件400和半导体部分100直接热耦合。根据其他实施例，热电阻元件400和半导体部分100通过可以是半导体或金属结构的中间的、热和/电传导结构而间接地热耦合。
在图2A中，第一负载电极310被形成在半导体器件500的前侧处。层间电介质200将第一负载电极310与半导体部分100分开。第一接触结构315a从第一负载电极310通过层间电介质200延伸到半导体部分100中并且将第一负载电极310与晶体管单元区段610中的晶体管单元TC的源极区110和本体区115电连接。在晶体管单元区段610与半导体部分100的侧表面103之间的边缘区段690中，第二接触315b将场环340与沿着第一表面101形成的掺杂区段140电连接。
第三接触结构315c可以将形成在第一负载电极310的平面中的栅极导体330与形成在栅极结构150的部分中的栅极电极155电连接，所述栅极结构150在晶体管单元区段610之外延伸。栅极导体330可以包含用于接合导线的栅极焊盘、围绕第一负载电极310的栅极环、以及从边缘区域延伸到晶体管单元区域中的栅极指。
第一负载电极310可以形成或者可以被电耦合或连接到第一负载端子L1，所述第一负载端子L1在半导体器件500是IGFET的情况下可以是源极端子或者在半导体器件500是IGBT的情况下可以是发射极端子。栅极导体330可以形成栅极端子G或者可以被电连接或耦合到栅极端子G。场环340可以被电耦合到第一负载电极310或者可以被电连接到具有不同的电势的网络节点。
第一负载电极310、栅极导体330以及场环340中的每个可以由金属或金属合金组成或者含有金属或金属合金。根据实施例，至少第一负载电极310含有铜Cu或者铝或铜的合金（例如AlCu或AlSiCu）作为主要组分。
热电阻元件400直接邻接第一负载电极310和栅极导体330并且可以被形成在将在层间电介质200上方的第一负载电极310与栅极导体330分离的间隙中。热电阻元件400可以是单部分元件或者包含多个空间分离的部分的多部分元件。在热电阻元件400放置在栅极导体330与第一负载电极310之间的情况下，热电阻元件400可以在比较大的区域之上延伸使得关于热电阻元件400的比电阻的需求被显著地缓和。
根据另一个实施例，热电阻元件400被电连接到第一结构和第二结构，源极区110的电势被施加到所述第一结构，栅极电势被施加到所述第二结构，其中第一和第二结构被形成在其中能够预期半导体部分100的强烈加热的晶体管单元区段610的临界部分中。
在图2B中，热电阻元件400被夹在栅极电极155与第一负载电极310之间。热电阻元件400可以是具有数个空间分离的部分的多部分元件，其中所述部分中的至少一些被布置在晶体管单元区段610中使得热电阻元件400与晶体管单元区段610中的半导体部分100强烈地热耦合。对于可自复位的热电阻元件400，热电阻元件400在栅极电极155与第一负载电极310之间的放置可以允许在温度超过最大操作温度TJMax的区域中晶体管单元TC的选择性断开。
图2C涉及具有从第一表面101延伸到半导体部分100中的栅极结构和场电极结构160的半导体器件500。热电阻元件400被夹在源极区110与栅极结构150中的栅极电极155之间。例如，热电阻元件400可以代替将栅极电极155与半导体部分100的半导体材料分离并且形成栅极电介质151的电介质层的部分。热电阻元件400可以被形成在栅极电介质151的有关部分与第一表面101之间的栅极电介质151的部分的垂直投影中。
热电阻元件400可以是具有多个空间分离的部分的多部分元件，所述多个空间分离的部分能够被布置处于与在晶体管单元区段610之内的半导体部分100的强烈热耦合并且靠近其中强烈的动态负载是有效的并且发生温度的显著升高的半导体部分100的区段。在热电阻元件400的受限的横向广度的情况下，热电阻元件400之间的距离小于500μm、小于50μm、小于20μm或甚至小于5μm。对于可自复位热电阻元件400，热电阻元件400在栅极电极155与源极区110之间的放置可以允许仅仅在其中温度超过最大操作温度TJMax的这样的晶体管单元TC的局部断开。
图3A至3C涉及半导体器件500的栅极电路550的等效电路图。栅极驱动器驱动栅极电流IGE。栅极输入电阻RG包含了包含栅极驱动器与半导体器件500之间的连接线的电阻的外部部分RG,ext。内部栅极电阻RG,int在栅极端子G与栅极电极之间的半导体器件500之内是有效的。栅极电极表示栅极至发射极电容CGE，有效栅极电压VGE横跨所述电容CGE下降。热电阻元件400作为与栅极至发射极电容CGE并联的温度相关电阻RTCR（T）是有效的。
根据实施例，内部栅极电阻RG,int包含形成在栅极导体与栅极电极之间的多晶硅电阻器。RG,int的电阻值被确定为使得时间常数t=1/(RG*CGE)具有预定义的值。根据实施例，RG,int的电阻值在从1Ω至10Ω的范围中。
在图3B中，对于在TJMax之下的标称操作范围，线561示出有效栅极电压VGE,on并且线562示出栅极泄露电流IGE,on。在临界温度跨度之内两个数量级的热电阻元件400的电阻值的降低率时，对于10Ω的栅极电阻RG在TJMax之上针对保存断开（saveturn-off）而言，线571示出作为热电阻元件400的电阻值RTCR（T）的函数的有效栅极电压VGE,off并且线572示出作为热电阻元件400的电阻值RTCR（T）的函数的相应的栅极泄露电流IGE,off。标记的区域581图解热电阻元件400的可用的电阻范围，在所述区域581中VGE,on高于14.5V并且对于保存关态的VGE,off低于6V。在标记的区域581中，IGE,off显著地升高到超出1A并且IGE,on到大约50mA。增加的栅极泄露电流可以被用于探测过温度条件，如在图8A中图解的那样。
在保存关态中在热电阻元件400中消耗的热能可以是从半导体器件的开态到关态的过渡期间消耗的电能的大约2%、0.5%或者甚至更少。
图3C示出对于33Ω的栅极电阻的相同的线561、562、571、572以及对应的标记区域581。
根据实施例，之前的图中的热电阻元件400包含具有高阻抗非晶状态和低阻抗有序例如结晶状态的PCM（相变材料）。PCM可以是可自复位的并且可以通过冷却到低于设定温度TSet来恢复低阻抗状态，其中施加到栅极电极的复位脉冲可以增强PCM的恢复过程。例如，热电阻元件400可以基于镍-铁-氧（Ni-Fe-O）粉末，所述粉末在250摄氏度具有大约两个数量级的比电阻的可逆改变。根据其他实施例，热电阻元件400包含Ti2（1-x）V2xO3、LaxEu1-xCoO3、GdCoO3、GdCoO3、SmCoO3、NdCoO3、PrCoO3中的至少一个，其中0≤x≤1。
根据另一个实施例，在之前的图中的热电阻元件400不是可自复位的并且仅仅在高于设定温度TSet的复位温度处才能够恢复低阻抗状态。例如，热电阻元件400可以基于碲化物或硫族化物PCM。热电阻元件400可以基于碲化锗，其特性仅仅在低的程度上是沉积厚度的函数。
在TSet之外，热电阻元件400的电阻值可以保持近似恒定或者可以轻微增加使得电耦合到半导体器件500的栅极端子G的栅极驱动器可以被配置为施加具有足够的脉冲电流和脉冲持续时间的复位脉冲以加热热电阻元件400到超出复位温度TRes。
根据实施例，半导体器件500可以包含一个或多个服务端子，所述服务端子被电连接到热电阻元件400以通过施加横跨热电阻元件400的合适电压而允许在装运之前半导体器件500的激活以及在热关闭之后半导体器件500的复位，而同时半导体器件500可以与传统的栅极驱动器组合操作。
下面的图涉及热电阻元件400的进一步的实施例。
在图4中，热电阻元件400包含了包含不同金属的至少两个部分的双金属器件410，所述不同金属的至少两个部分随着增加温度以不同的比率膨胀。所述不同金属的两个部分沿着它们之间的界面被接合到彼此。双金属的第一末端部分被固定到第一负载电极310或者栅极导体330。第二末端部分自由移动。在低于设定温度TSet的温度处，第一负载电极310或者栅极导体330与双金属器件410分离。随着增加温度，双金属器件410弯向具有更低热膨胀系数的部分的方向，并且在设定温度TSet处，双金属器件410与栅极导体330和第一负载电极310两者接触。电阻结构411可以被与双金属器件410串联布置。
图5涉及具有带有负温度系数的一个或多个串联连接的NTC二极管420（例如，适当掺杂的齐纳二极管或隧道二极管）的实施例，所述NTC二极管420被电连接在第一负载电极310与栅极导体330之间。NTC二极管420可以被实现在从第一表面101延伸到半导体部分100中的沟槽中，例如在尺寸上与栅极结构150相等或类似的沟槽中。通过NTC二极管的合适的掺杂能够调整负温度系数。并联电阻421可以被与（一个或多个）NTC二极管420并联地电布置。
在图6A和6B中，热电阻元件400至少部分地被装配在第一负载电极310与栅极导体330之间并且包含包围在具有处于或者靠近设定温度TSet的熔化温度的电介质材料的壳432中的金属颗粒431，例如金属球。例如，金属是银（Ag）或铜（Cu）并且电介质壳材料是聚合物，诸如聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚砜或高度聚合的聚醋酸乙烯酯。
在低于设定温度TSet的温度处，电介质壳将金属颗粒431彼此电分离、与第一负载电极310电分离并且与在相对侧上邻接热电阻元件400的栅极导体330电分离，如在图6A中所图解的那样。
在设定温度TSet处，电介质壳432开始熔化并且邻近的金属颗粒431进入与彼此接触，如在图6B中所图解的那样。电阻降低大约两个数量级。当温度降低到熔化温度之下时，电介质壳432恢复使得接触的数量和总接触面积再次降低。电阻增加到近似原来的值。
图7A至7B涉及具有至少部分地装配在第一负载电极310与栅极导体330之间的热电阻元件400的实施例。热电阻元件400包含金属颗粒441，例如金属球。
随着增加温度，金属颗粒441膨胀并且在金属颗粒之间、在金属颗粒441与第一负载电极310之间以及在金属颗粒441与栅极导体330之间的接触面积增长，如在图7B中所图解的那样。金属颗粒441的大小，例如金属球的直径，被调节使得总表面接触面积在设定温度TSet处显著地增加。根据实施例，金属颗粒441是弹性可形变的Ag或Cu球。
根据实施例，热电阻元件400包含基于PCM基体和金属球的复合系统，所述金属球可以用电介质材料来涂布。
图6A至7B的热电阻元件400以及基于PCM的热电阻元件可以通过喷墨印刷包含金属球和PCM材料以及具有低于设定温度TSet的沸点温度的液体（诸如，环己烷和乙二醇）的分散体来形成。PCM也可以通过溅射过程来沉积。
在图8A中图解的电气系统901包含具有电耦合到功率半导体开关器件501的栅极端子G的输出端子的栅极驱动器电路580，所述功率半导体开关器件501包含电连接在发射极端子E与栅极端子G之间的热电阻元件400。可以被集成在栅极驱动器电路580中的过温度探测电路581可以监视栅极泄露电流并且当栅极泄露电流超过预定义的阈值时可以输出指示在功率半导体开关器件501中存在过温度条件的信号OT。电气系统901可以例如是IGBT模块、半桥电路、全桥电路或者开关模式电源。
在图8B中，电气系统902包含：栅极驱动器电路580，适合于驱动复位脉冲用于使在功率半导体开关器件501中的不可自复位热电阻元件400从低传导状态复位到高传导状态。例如，栅极驱动器电路580可以供应至少10A的驱动电流。
图8C示出功率半导体开关器件501，所述功率半导体开关器件501包含：两个服务端子S1、S2，用于施加合适的复位脉冲以使在功率半导体开关器件501中的不可自复位热电阻元件400从低传导状态复位到高传导状态。在所述应用中，服务端子S1、S2可以被电连接到可控的驱动器电路或者可以对于服务人员是可访问的。根据其他实施例，功率半导体开关器件501包含仅仅一个服务端子S1并且使用服务端子S1和其他端子G、E或C中的一个来施加复位脉冲。
尽管在本文中图解了并且描述了特定的实施例，本领域中的那些普通技术人员将领会的是在不脱离本发明的范围的情况下，各种替换的和/或等同的实施方式可以代替示出的和描述的特定实施例。本申请旨在覆盖在本文中讨论的特定实施例的任何改编或变化。因此，旨在仅仅由权利要求及其等同物来限制本发明。

Claims (25)

1.一种半导体器件，包括：
第一负载端子（L1），被电耦合到晶体管单元（TC）的源极区（110）；
栅极端子（G），被电耦合到栅极电极（155），所述栅极电极（155）被电容地耦合到晶体管单元（TC）的本体区（115），其中源极和本体区（110、115）被形成在半导体部分（100）中；以及
热电阻元件（400），被热连接到半导体部分（100）并且被电耦合在栅极端子（G）与第一负载端子（L1）之间，其中在为半导体器件规定的最大操作温度（TJMax）之上，热电阻元件（400）的电阻在至多50开氏温度的临界温度跨度之内降低至少两个数量级。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中
在临界温度跨度的开始处的设定温度（TSet）是在最大操作温度（TJMax）之上至多50开氏温度。
3.根据权利要求1至2所述的半导体器件，其中
在为半导体器件规定的低于最大操作温度（TJMax）的操作温度范围之内，热电阻元件（400）的电阻值改变少于四个数量级。
4.根据权利要求1至3所述的半导体器件，其中
在热电阻元件（400）的电阻/温度特性的二阶导数中的最小值与最大值之间的温度差别少于50开氏温度。
5.根据权利要求1至4所述的半导体器件，其中
临界温度跨度是至多30开氏温度。
6.根据权利要求1至5所述的半导体器件，进一步包括：
第一负载电极（310），被电连接到第一负载端子（L1）并且以到半导体部分（100）的距离被布置，其中热电阻元件（400）被夹在第一负载电极（310）与栅极电极（150）之间。
7.根据权利要求1至5所述的半导体器件，进一步包括：
被电连接到第一负载端子（L1）的第一负载电极（310）以及被电连接到栅极电极（150）的栅极导体（330），第一负载电极（310）和栅极导体（330）以到半导体部分（100）的距离被布置，其中热电阻元件（400）被夹在第一负载电极（310）与栅极导体（330）之间。
8.根据权利要求6至7所述的半导体器件，进一步包括：
层间电介质（200），被夹在半导体部分（100）与第一负载电极（310）之间。
9.根据权利要求6至8所述的半导体器件，其中
第一负载电极（310）由铜或者含铜的合金制成。
10.根据权利要求1至9所述的半导体器件，其中
栅极电极（155）从第一表面（101）延伸到半导体部分（100）中并且热电阻元件（400）被夹在源极区（110）与栅极电极（155）之间。
11.根据权利要求1至10所述的半导体器件，其中
热电阻元件（400）是可自复位元件并且当它冷却到低于设定温度（TSet）时热电阻元件（400）的电阻改变到原来的电阻值。
12.根据权利要求11所述的半导体器件，其中
热电阻元件（400）包括双金属系统（410），所述双金属系统（410）被配置为低于设定温度（TSet）分离栅极端子（G）和第一负载端子（L1）并且被配置为高于设定温度（TSet）电连接栅极端子（G）和第一负载端子（L1）。
13.根据权利要求11所述的半导体器件，其中
热电阻元件（400）包括一个或多个具有负温度系数的齐纳和/或隧道二极管（420）。
14.根据权利要求11所述的半导体器件，其中
热电阻元件（400）基于可自复位相变材料。
15.根据权利要求11所述的半导体器件，其中
热电阻元件（400）包括被包围在具有在设定温度（TSet）处的熔化温度的电介质材料的壳（432）中的金属颗粒（431）。
16.根据权利要求11所述的半导体器件，其中
热电阻元件（400）包括弹性可形变金属颗粒（441）。
17.根据权利要求11所述的半导体器件，其中
热电阻元件（400）是复合系统，所述复合系统包括可逆相变材料和弹性可形变传导颗粒与包围在具有在设定温度处的熔化温度的电介质材料的壳中的传导颗粒中的至少一种。
18.根据权利要求1至9所述的半导体器件，其中
热电阻元件（400）包含相变材料，所述相变材料被配置为通过在高于设定温度（TSet）的复位温度（TRes）之上加热来从低欧姆状态改变到高欧姆状态。
19.根据权利要求18所述的半导体器件，进一步包括：
至少一个被电连接到热电阻元件（400）的服务端子（S1）。
20.根据权利要求1至19所述的半导体器件，进一步包括：
在栅极端子（G）与栅极电极（155）之间的内部栅极电阻（250）。
21.根据权利要求1至20所述的半导体器件，其中
热电阻元件（400）的有效电阻在至多50开氏温度的临界温度跨度之内降低至少两个数量级。
22.根据权利要求1至21所述的半导体器件，其中
在邻近的热电阻元件（400）之间的距离小于500μm。
23.一种包括半导体器件的电气系统，其中所述半导体器件包括：
第一负载端子（L1），被电耦合到晶体管单元（TC）的源极区（110）；
栅极端子（G），被电耦合到电容地耦合到晶体管单元（TC）的本体区（115）的栅极电极（155），其中源极和本体区（110、115）被形成在半导体部分（100）中；以及
热电阻元件（400），被热连接到半导体部分（100）并且被电耦合在栅极端子（G）与第一负载端子（L1）之间，其中在为半导体器件规定的最大操作温度（TJMax）之上，热电阻元件（400）的电阻在至多50开氏温度的临界温度跨度之内降低至少两个数量级。
24.根据权利要求23所述的电气系统，其中热电阻元件（400）是不可自复位的并且所述电气系统进一步包括：
栅极驱动器电路，所述栅极驱动器电路被电耦合或被连接到栅极端子（G）并且被配置为向栅极端子（G）供应用于关断晶体管单元（TC）的第一栅极电压、用于接通晶体管单元（TC）的第二栅极电压以及用于复位热电阻元件（400）的复位电流。
25.根据权利要求23或24所述的电气系统，进一步包括：
过温度探测电路（581），所述过温度探测电路（581）被配置为当供应到栅极端子（G）的栅极电流超过预设的阈值时输出指示过温度条件的信号（OT）。
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