CN108074978B - 半导体器件和用于操作半导体器件的方法 - Google Patents

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Abstract

半导体器件包括多个正向导通绝缘栅双极晶体管单元。多个正向导通绝缘栅双极晶体管单元被配置为在半导体器件的正向操作模式中导通电流，并且在半导体器件的反向操作模式中阻断电流。此外，半导体器件包括多个反向导通绝缘栅双极晶体管单元。多个反向导通绝缘栅双极晶体管单元被配置为在正向操作模式中和反向操作模式中都导通电流。

Description

半导体器件和用于操作半导体器件的方法
技术领域
示例涉及包括绝缘栅双极晶体管结构的半导体器件以及用于操作这些半导体器件的方法。
背景技术
在过去的几年中，功率半导体器件吸引越来越多的兴趣。例如，电池和能量管理的进步以及减少温室气体排放的需求加剧了诸如电动汽车或电动高速列车之类的电动车辆的研究、开发和制造。其他应用在于发电、转换和分配领域。例如，高效率的功率半导体器件可以提高发电厂中使用的发电机的效率，但是在较小规模上也可能延长移动设备的电池充电周期。对于这些和其他应用，寻求高效率和低损耗的半导体器件。此外，当操作功率半导体器件时，通常会期望监视其操作，以便更可靠地对其进行操作或者能够在故障的情况下采取措施。为了在当今的全球市场上竞争，对于半导体公司更重要的是减少这种半导体器件的制造精力和成本。
因此，期望在保持低的制造精力的同时提高半导体器件的效率及其操作的可靠性。
发明内容
一些实施例涉及包括多个正向导通绝缘栅双极晶体管单元的半导体器件。多个正向导通绝缘栅双极晶体管单元被配置为在半导体器件的正向操作模式中导通电流，并且在半导体器件的反向操作模式中阻断电流。此外，半导体器件包括多个反向导通绝缘栅双极晶体管单元。多个反向导通绝缘栅双极晶体管单元被配置为在正向操作模式中和在反向操作模式中都导通电流。
一些实施例涉及绝缘栅双极晶体管器件。绝缘栅双极晶体管器件包括第一导电类型的第一晶体管掺杂区域和第二导电类型的第二晶体管掺杂区域。第一晶体管掺杂区域和第二晶体管掺杂区域被布置在绝缘栅双极晶体管器件的公共半导体衬底中。此外，绝缘栅双极晶体管器件包括在半导体沉底的后侧表面处与第一晶体管掺杂区域和第二晶体管掺杂区域接触的集电极电极。在集电极电极与第一晶体管掺杂区域之间的接触面积大于在集电极电极与半导体衬底的后侧表面之间的总接触面积的70%。
一些实施例涉及用于操作半导体器件的方法。该方法包括在半导体器件的第一发射极电极和第二发射极电极之间耦合电阻器。第一发射极电极电连接到半导体器件的多个正向导通绝缘栅双极晶体管单元。第二发射极电极电连接到半导体器件的多个反向导通绝缘栅双极晶体管单元。此外，该方法包括在半导体器件的反向操作模式期间把半导体器件的反向电流的至少一部分导通通过多个反向导通绝缘栅双极晶体管单元。此外，该方法包括在反向操作模式期间确定跨电阻器的电压。此外，该方法包括基于跨电阻器的电压得出反向电流的量值。
附图说明
以下将仅作为示例并且参考附图来描述装置和/或方法的一些示例，其中，
图1示出了包括多个正向导通绝缘栅双极晶体管单元和多个反向导通绝缘栅双极晶体管单元的半导体器件的示意图示；
图2a示出了正向导通绝缘栅双极晶体管单元的示意性截面；
图2b示出了反向导通绝缘栅双极晶体管单元的示意性截面；
图2c示出了包括布置在公共半导体衬底中的多个正向导通绝缘栅双极晶体管单元和多个反向导通绝缘栅双极晶体管单元的半导体器件的示意性截面；
图3a示出了并联连接的正向导通绝缘栅双极晶体管单元和二极管的组件的示意性截面；
图3b示出了在正向和反向操作期间具有指示的电流方向的另一反向导通绝缘栅双极晶体管单元的示意性截面；
图4示出了半导体器件的示意性俯视图；
图5示出了绝缘栅双极晶体管器件的示意性截面的一部分；
图6是示出了用于操作半导体器件的方法的流程图；
图7a示出了包括如下各项的电路的示意图：具有多个正向导通绝缘栅双极晶体管单元和多个反向导通绝缘栅双极晶体管单元的半导体器件以及用于监视半导体器件的物理量的电路；
图7b示出了在配置为得出半导体器件的正向电流的量值的电路内处于正向操作模式中的半导体器件；
图7c示出了在配置为得出半导体器件的反向电流的量值的电路内处于反向操作模式中的半导体器件；
图7d示出了在配置为得出半导体器件的温度的电路内处于反向操作模式中的半导体器件；
图7e示出了半导体器件的另一示意性截面；
图7f示出了在以替代方式配置为得出半导体器件的温度的电路内处于反向操作模式中的半导体器件；
图7g图示了pn二极管的温度相关输出特性的示例；以及
图8示出了三相正弦调制电动机逆变器应用的单相。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述各种示例，在附图中图示了一些示例。在附图中，为了清楚起见，可能夸大了线、层和/或区域的厚度。
因此，虽然其他示例能够进行各种修改和替代形式，但是其一些具体示例在附图中示出，并且随后将被详细描述。然而，该详细描述不将其他示例限制于所描述的具体形式。其他示例可以涵盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替代物。在附图的整个描述中，相同的附图标记指代相同或类似的元件，这些元件在提供相同或类似的功能时可以彼此相同地或以修改的形式被实现。
将理解，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，该元件可以被直接或者经由一个或多个中间元件连接或耦合。如果使用“或”来组合两个元件A和B，则这要被理解为公开了所有可能的组合，即仅A、仅B以及A和B。用于相同组合的替代措辞是“A和B中至少一个”。这同样适用于多于2个元件的组合。
本文为了描述具体示例而使用的术语不旨在限制其他示例。每当使用诸如“一”和“该”之类的单数形式，并且仅使用单个元素既不明示也不会暗示地被定义为强制性时，其他示例还可以使用复数个元件来实现相同的功能。同样，当功能随后被描述为使用多个元件实现时，其他示例可以使用单个元件或处理实体来实现相同的功能。还将理解，术语“包括”和/或“包含”在使用时指定存在所述特征、整体、步骤、操作、过程、动作、元件和/或部件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、过程、动作、元件、部件和/或它们的任何组。
除非另有定义，否则所有术语（包括技术和科学术语）按照其在本文中以该示例所属的领域的普通含义被使用。
图1示出了半导体器件100的示意图示。半导体器件100包括多个110正向导通绝缘栅双极晶体管单元。多个110正向导通绝缘栅双极晶体管单元被配置为在半导体器件100的正向操作模式中导通电流并且在半导体器件100的反向操作模式中阻断电流。另外，半导体器件100包括多个120反向导通绝缘栅双极晶体管单元。多个120反向导通绝缘栅双极晶体管单元被配置为在正向操作模式中和反向操作模式中都导通电流。
多个110正向导通绝缘栅双极晶体管单元（FC IGBT单元）可以用于在正向操作模式期间导通半导体器件100的负载电流（或负载电流的一部分）。多个120反向导通绝缘栅双极晶体管单元（RC IGBT单元）可以用于半导体器件100的测量或监视任务。因为FC IGBT单元在正向操作模式期间可以包括比RC IGBT单元更低的电阻（例如，更低的发射极-集电极电阻），所以经由多个110 FC IGBT单元导通负载电流（或其一部分）可以减少在正向操作模式期间半导体器件100的总体损耗，这进而可以提高半导体器件100的效率。因为多个120RC IGBT单元可以在正向操作模式中和反向操作模式中都导通电流，所以可以采用多个120RC IGBT单元来确定在正向操作期间流动通过多个110 FC IGBT单元的负载电流（或其一部分）和/或确定半导体器件100的温度。例如，可以在半导体器件100的反向操作模式期间执行半导体器件100的温度的确定。以这种方式，半导体器件100可以以高效率操作，同时提供用于监视半导体器件100的物理量的装置。
此外，可以在不增加制造精力的情况下，在半导体器件100的制造过程期间同时形成多个110 FC IGBT单元和多个120 RC IGBT单元。这可以降低半导体器件100的制造成本。例如，由于使用多个120 RC IGBT单元来监视半导体器件100的温度，可以避免向半导体器件100提供额外的温度感测二极管，这将增加半导体器件100的尺寸和制造成本。多个120RC IGBT单元可能比额外的温度感测二极管需要半导体器件100内更少的空间以及更少的额外接触焊盘。
半导体器件100的FC IGBT单元的总数可以是半导体器件100的RC IGBT单元的总数的至少两倍（或至少十倍、或至少一百倍、或至少一千倍、或至少一万倍）。这样，可能存在大多数FC IGBT单元用于在正向操作模式期间导通半导体器件100中的负载电流（或其一部分），使得可以进一步减小半导体器件100的损耗。提供大多数FC IGBT单元还可以改善半导体器件100的切换和阻断性能。由于用于监视半导体器件100的物理量，所以多个120 RCIGBT单元可以以比多个110 FC IGBT单元更低的电流（例如，导通较少的电流）进行操作，RCIGBT单元的总数可以低于FC IGBT单元的总数。例如，流动通过多个110 FC IGBT单元的最大电流可能大于1A（或大于10A、或大于100A），而流动通过多个120 RC IGBT单元的最大电流可能小于1A（或小于500mA、或小于100mA、或小于50mA）。
根据一些实施例，在正向操作模式期间，多个120 RC IGBT单元被配置为导通通过半导体器件100的总电流的至多30%（或至多10%、或至多1%、或至多0.10%、或至多0.01%）。此外，多个120 RC IGBT单元可以被配置为在正向操作模式期间导通通过半导体器件100的总电流的至少1/500000（五十万分之一）的部分。
流动通过多个120 RC IGBT单元的电流的量值可以与流动通过多个110 FC IGBT单元的电流的量值成比例。在正向操作模式期间，流动通过多个110 FC IGBT单元的电流可以大于通过半导体器件100的总电流的70%（或大于90%、或大于99%、或大于99.90%、或大于99.99%）。
然后，流动通过多个120 RC IGBT单元的电流的量值可以被测量（例如，经由跨连接到多个120 RC IGBT单元的外部电阻器的压降）并且乘以对应的（第一）比例系数，以确定正向操作模式期间的流动通过多个110 FC IGBT单元的电流的量值和/或确定正向操作模式期间的总电流的量值。（第一）比例系数可以基于流动通过多个110 FC IGBT单元的总电流的一部分与流动通过多个120 RC IGBT单元的总电流的一部分的比率。该比率可以通过半导体器件100的设计来预先确定。例如，为了把总电流的较大部分导通通过多个110 FCIGBT单元，FC IGBT单元的总数可以对应地大于RC IGBT单元的总数，和/或多个110 FCIGBT单元的总横向面积（例如，竖直于电流的横截面积）可以对应地大于多个120 RC IGBT单元的总横向面积。
在半导体器件100的反向操作模式期间，多个120 RC IGBT单元可以被配置为导通通过半导体器件100的总电流的至多30%（或至多10%、或至多1%、或至多0.10%、或至多0.01）。总电流的第二（剩余）部分（例如，总电流的大于70%、或大于90%、或大于99%、或大于99.90%、或大于99.99%的部分）可以例如流动通过由半导体器件100所包括的二极管（例如，续流二极管）。该二极管可以与多个110 FC IGBT单元并联连接。该二极管的第一端子可以被耦合到与多个110 FC IGBT单元耦合的发射极电极，并且该二极管的第二端子可以被耦合到半导体器件100的集电极电极。
通过多个120 RC IGBT单元的电流的量值可以被测量（例如，经由跨连接到多个120 RC IGBT单元的外部电阻器的压降）并且乘以对应的（第二）比例系数以在反向操作模式期间确定流动通过二极管的电流的量值和/或确定总电流。（第二）比例系数可以基于在反向操作模式期间流动通过二极管的总电流的部分与流动通过多个120 RC IGBT单元的总电流的部分的比率。该比率可以通过半导体器件100的设计来预先确定。例如，为了导通通过二极管的总电流的较大部分，二极管的总横向面积可以对应地大于多个120 RC IGBT单元的总横向面积。
作为用于在反向操作模式期间导通通过半导体器件100的总电流的第二（剩余）部分的二极管的替代，半导体器件100包括额外的晶体管元件和/或额外的晶闸管元件，该额外的晶体管元件和/或额外的晶闸管元件并联连接到多个110 FC IGBT单元并且被配置为在反向操作模式期间导通电流并且在正向操作模式期间阻断电流。
半导体器件100（例如，绝缘栅双极晶体管器件，IGBT器件）可以包括在半导体器件100的半导体衬底内彼此横向相邻布置的多个重复结构。重复结构的最小单元可以称为半导体器件100的单元（例如，FC IGBT单元或RC IGBT单元）。这样的单元本身可以包括晶体管（例如正向导通（FC）IGBT或反向导通（RC）IGBT）的功能。
根据本公开的实施例（例如，根据半导体器件100），FC IGBT单元和/或RC IGBT单元可以从半导体器件100的半导体衬底的前侧表面延伸到半导体衬底的后侧表面。此外，FCIGBT单元和RC IGBT单元可以包括半导体衬底的掺杂区域的不同部分和/或不同掺杂区域。例如，FC IGBT单元和/或RC IGBT单元可以包括第一导电类型的集电极掺杂区域的一部分、第二导电类型的发射极掺杂区域的一部分（或至少一个发射极掺杂区域）、第一导电类型的体掺杂区域的一部分和第二导电类型的漂移掺杂区域的一部分。此外，FC IGBT单元和/或RC IGBT单元可以包括用于分别控制通过FC IGBT单元和/或通过RC IGBT单元的电流流动的栅极电极（或者栅极电极的一部分）。
这里，掺杂区域可以被理解为导电类型保持相同的半导体衬底的连续部分。然而，掺杂浓度可能在掺杂区域内发生变化。例如，漂移掺杂区域可以包括一漂移部分，该漂移部分可以具有比漂移掺杂区域的场停止部分更低的掺杂浓度。此外，掺杂区域可以以例如相反导电类型的掺杂区域和/或以诸如例如金属、绝缘材料、多晶硅、模制材料或空气之类的其他材料为边界。
FC IGBT单元和/或RC IGBT单元的发射极掺杂区域的一部分（或发射极掺杂区域）可以由半导体器件100的发射极电极接触。例如，半导体器件100可以包括第一发射极电极和第二发射极电极。第一发射极电极可以电连接到多个正向导通绝缘栅双极晶体管单元中的至少一个（例如，电连接到至少一个FC IGBT单元的发射极掺杂区域的一部分或发射极掺杂区域）。第二发射极电极可以电连接到多个反向导通绝缘栅双极晶体管单元中的至少一个（例如，连接到至少一个RC IGBT单元的发射极掺杂区域的一部分或发射极掺杂区域）。第一发射极电极可以与第二发射极电极电绝缘。根据一些实施例，多个110 FC IGBT单元电连接到第一发射极电极，并且多个120 RC IGBT单元电连接到第二发射极电极。
通过提供第一和第二发射极电极，可以将FC IGBT单元（或多个110 FC IGBT单元）的发射极电流与RC IGBT单元（或多个120 RC IGBT单元）的发射极电流进行区分和/或分离。例如，FC IGBT单元（或多个110 FC IGBT单元）的发射极电流可以流到半导体器件100的负载，并且RC IGBT单元（或多个120 RC IGBT单元）的发射极电流可以用于测量（例如，得出）半导体器件100的物理量，诸如半导体器件100的温度或（一个或多个）FC IGBT单元的电流。
另外，第二发射极电极可以连接到没有与第一发射极电极连接的至少一个额外的FC IGBT单元。连接到第二发射极电极的额外的FC IGBT单元可以减少在正向操作模式期间的损耗，和/或减少在反向操作模式期间在连接到第一发射极电极的FC IGBT单元与连接到第二发射极电极的RC IGBT单元之间的串扰。例如，连接到第二发射极电极的额外的（一个或多个）FC IGBT单元可以横向地被布置在连接到第一发射极电极的FC IGBT单元和连接到第二发射极电极的RC IGBT单元之间。
多个110 FC IGBT单元和多个120 RC IGBT单元可以被布置在半导体器件100的公共半导体衬底中。这可以减小半导体器件100的尺寸和/或可以实现半导体器件100的物理量的测量和/或得出和/或提高这些测量和/或得出的准确性。例如，当使用多个120 RCIGBT单元来测量半导体器件100的温度时，测量电流可以从半导体器件100的半导体衬底内的RC IGBT单元流动到FC IGBT单元（或反之），并且可以用于得出半导体器件100的温度。
此外，多个110 FC IGBT单元可以横向包围多个120 RC IGBT单元。当使用至少RCIGBT单元得出半导体器件100的温度时，这可以进一步提高温度测量的准确性，因为半导体衬底的内部的温度通常可能高于半导体衬底的边缘处的温度。在一个应用中，人们通常对半导体器件中发生的最高温度有兴趣。为此，多个120 RC IGBT单元可以位于半导体衬底的几何中心（或接近几何中心）处，同时由多个110 FC IGBT单元横向包围。
替代地，多个120 RC IGBT单元可以位于半导体衬底的边缘处（例如，从多个120RC IGBT单元到半导体衬底的边缘的最小距离可以小于半导体衬底的最大横向延伸的5%）。在半导体衬底的边缘处，RC IGBT单元可以彼此相邻地横向布置。对于多个120 RC IGBT单元外部的半导体衬底的剩余部分，多个120 RC IGBT单元可以与多个110 FC IGBT单元横向相邻。换句话说，多个120 RC IGBT单元可以与半导体衬底的边缘和多个110 FC IGBT单元横向相邻。
为了与外部电路互连，第一发射极焊盘可以竖直位于半导体器件100的布线层堆叠的顶部金属化层上的多个110 FC IGBT单元上方，并且可以经由第一发射极电极连接到多个110 FC IGBT单元。因为多个120 RC IGBT单元可以位于半导体衬底的边缘处，所以第二发射极焊盘可以竖直位于顶部金属化层上和顶部金属化层的边缘处的多个120 RC IGBT单元的上方。这可以通过焊接（例如，全面积焊接）而不是通过键合（bond）来实现将第一发射极焊盘连接到外部电路。例如，带状引线可以被焊接到第一发射极焊盘。这样的引线可以提供比键合线或多个键合线更低的电阻，使得可以减少在操作半导体器件时的损耗。
FC IGBT单元被配置为在半导体器件100的正向操作模式期间导通在竖直方向上通过半导体衬底的电流，并且被配置为在半导体器件100的反向操作模式期间阻断在竖直方向上通过半导体衬底（例如，通过FC IGBT单元）流动的电流。RC IGBT单元被配置为在正向操作模式期间和在反向操作模式期间导通在竖直方向上通过半导体衬底的电流。
为此，半导体器件100的半导体衬底可以包括第一导电类型的集电极掺杂区域和第二导电类型的漂移掺杂区域。在FC IGBT单元内，集电极掺杂区域可以将漂移掺杂区域与半导体衬底的后侧表面分离。在RC IGBT单元内，漂移掺杂区域可以竖直延伸到半导体衬底的后侧表面。半导体器件100的集电极电极可以位于半导体衬底的后侧表面。在后侧表面处，集电极电极可以接触FC IGBT单元和RC IGBT单元二者。具体地，关于FC IGBT单元，集电极电极可以与位于FC IGBT单元中的集电极掺杂区域的部分接触，并且不与位于FC IGBT单元中的漂移掺杂区域的部分接触。关于RC IGBT单元，集电极电极可以与位于RC IGBT单元中的集电极掺杂区域的部分以及位于RC IGBT单元中的漂移掺杂区域的部分接触。
在反向操作模式中，存在于集电极掺杂区域和漂移掺杂区域之间的pn结可以被反向偏置（或不偏置）。由于集电极掺杂区域将FC IGBT单元内的漂移掺杂区域与半导体衬底的后侧表面分离，所述pn结可以阻断半导体器件100的电流（例如发射极-集电极电流或其一部分）在反向操作模式期间通过FC IGBT单元在集电极电极和（第一）发射极电极之间流动。因为集电极电极与位于RC IGBT单元中的半导体衬底的后侧表面的一部分处的漂移掺杂区域接触，所以发射极-集电极电流（或其一部分）可以在反向操作模式期间流动通过RCIGBT单元。这可以是可能的，因为在RC IGBT单元内，发射极-集电极电流（或其一部分）可能不一定穿过在集电极掺杂区域和漂移掺杂区域之间存在的pn结。因此，在反向操作模式期间，发射极-集电极电流（或其一部分）可以在集电极电极和（第二）发射极电极之间通过RCIGBT单元流动。
在正向操作模式期间，在集电极掺杂区域和漂移掺杂区域之间的pn结可以被正向偏置，使得发射极-集电极电流（或其一部分）可以流动通过FC IGBT单元（并且通过RC IGBT单元）。
图2a示出了FC IGBT单元200-A的示意性截面。FC IGBT单元200-A图示了在图1的上下文中说明的半导体器件100的正向导通IGBT单元的示例。然而，本公开的范围不限于图2a的FC IGBT单元200-A。FC IGBT单元的各种实现方式是可能的。
FC IGBT单元200-A从半导体衬底102的前侧表面延伸到半导体衬底102的后侧表面。FC IGBT单元200-A包括第一导电类型的集电极掺杂区域134的一部分。集电极电极132定位成与半导体衬底102的后侧表面竖直相邻，并且与由FC IGBT单元200-A包括的集电极掺杂区域134的所述部分接触。此外，FC IGBT单元200-A包括第二导电类型的漂移掺杂区域122的一部分。在FC IGBT单元200-A内（或在本公开的至少一些实施例的多个FC IGBT单元的每一个内），集电极掺杂区域134竖直地位于漂移掺杂区域122和半导体衬底102的后侧表面之间，使得在FC IGBT单元200-A内，漂移掺杂区域122不延伸到半导体衬底102的后侧表面。因此，在包括FC IGBT单元200-A的半导体器件（例如，图1的半导体器件100）的反向操作模式期间，FC IGBT单元可以阻断电流流动通过该半导体器件。
例如，在FC IGBT单元200-A内（或本公开的至少一些实施例的多个IGBT单元中的每一个内），从漂移掺杂区域到半导体衬底的后侧表面和/或到集电极电极的最小竖直距离可能大于100nm（或大于500nm、或大于2μm、或大于5μm）。
如漂移掺杂区域122的不同阴影所指示的，漂移掺杂区域122可以包括更重掺杂的部分（例如，场停止层和/或缓冲层），该更重掺杂的部分在图2a中由位于漂移掺杂区域122的与集电极掺杂区域134的界面处的阴影部分表示。此外，漂移掺杂区域122可以包括更轻掺杂的部分（例如，漂移部分），该更轻掺杂的部分在图2a中由漂移掺杂区域122的竖直位于漂移掺杂区域122的阴影部分上方的亮部分表示。
此外，示例性FC IGBT单元200-A包括半导体衬底102的第一体掺杂区域116-1的一部分和第二体掺杂区域116-2的一部分。第一体掺杂区域116-1的所述部分和第二体掺杂区域116-2的所述部分可以具有第一导电类型。第一体掺杂区域116-1的所述部分竖直地位于FC IGBT单元200-A的第一发射极掺杂区域108-1和FC IGBT单元200-A的漂移掺杂区域122的所述部分之间。第二体掺杂区域116-2的所述部分竖直地位于FC IGBT单元200-A的第二发射极掺杂区域108-2和FC IGBT单元200-A的漂移掺杂区域122的所述部分之间。第一和第二发射极掺杂区域108-1、108-2可以具有第二导电类型。
此外，FC IGBT单元200-A包括栅极电极112的至少一部分。栅极电极112的所述部分包括两个栅极板，该两个栅极板竖直延伸到半导体衬底102中并且通过绝缘材料114与半导体衬底102绝缘。所述栅极板之一定位成与第一发射极掺杂区域108-1和第一体掺杂区域116-1的所述部分横向相邻。所述栅极板中的另一个定位成与第二发射极掺杂区域108-2和第二体掺杂区域116-2的所述部分的横向相邻。在半导体器件的正向操作模式期间，第一体掺杂区域116-1和漂移掺杂区域122之间的pn结以及第二体掺杂区域116-2和漂移掺杂区域122之间的pn结可以被反向偏置。然而，将大于半导体器件的阈值电压的栅极电压施加到栅极电极112可以在第一体掺杂区域116-1的所述部分和第二体掺杂区域116-2的所述部分内引起导电沟道，使得电流（例如，半导体器件的发射极-集电极电流或正向电流或其一部分）可以流动通过在半导体器件的集电极电极132和（第一）发射极电极104之间的FC IGBT单元。（第一）发射极电极104在半导体衬底102的前侧表面处接触FC IGBT单元，并且与第一发射极掺杂区域108-1和第一体掺杂区域116-1的所述部分接触，并且与第二发射极掺杂区域108-2和第二体掺杂区域116-2的所述部分接触。
在公共半导体衬底内，与FC IGBT单元200-A横向相邻的毗邻FC IGBT单元和/或毗邻RC IGBT单元可以包括与由FC IGBT单元200-A包括的集电极掺杂区域134的所述部分横向相邻的集电极掺杂区域的另一部分。此外，毗邻FC IGBT单元和/或毗邻RC IGBT单元可以包括与由FC IGBT单元200-A包括的漂移掺杂区域122的所述部分横向相邻的漂移掺杂区域122的另一部分。此外，毗邻FC IGBT单元和/或毗邻RC IGBT可以包括与由FC IGBT单元200-A包括的第一体掺杂区域116-1（或分别地，第二体掺杂区域116-2）的所述部分横向相邻的第一体掺杂区域116-1（或第二体掺杂区域116-2）的另一部分。
图2b示出了RC IGBT单元200-B的示意性截面。RC IGBT单元200-B图示了在图1的上下文中说明的半导体器件100的反向导通IGBT单元的示例。然而，本公开的范围不限于图2b的RC IGBT单元200-B。RC IGBT单元的各种实现方式是可能的。
RC IGBT单元200-B可以与图2a的FC IGBT单元200-A一起被布置在公共半导体衬底102中。与FC IGBT单元200-A相比，RC IGBT单元200-B包括半导体衬底102的漂移掺杂区域122的一部分，该部分延伸到半导体衬底102的后侧表面。在半导体衬底102的后侧表面，RC IGBT单元200-B的漂移掺杂区域122的所述部分与集电极电极132接触。漂移掺杂区域122的掺杂浓度可以在半导体衬底102的后侧表面是最大的，如由图2b中的漂移掺杂区域122的暗阴影124所指示的。在RC IGBT单元200-B内，漂移掺杂区域122在两个不同界面区处与集电极电极132接触，所述两个不同界面区由集电极掺杂区域134的一部分分离。替代地，RC IGBT单元的漂移掺杂区域122的所述部分可以在仅一个界面区或多个界面区（例如，多于两个界面区）处与集电极电极132接触。换句话说，在RC IGBT单元200-B内（例如，在本公开的至少一些实施例的至少一个RC IGBT单元内），集电极掺杂区域134和漂移掺杂区域124在半导体衬底102的后侧表面处横向延伸。此外，在RC IGBT单元200-B内，集电极掺杂区域134可以在半导体衬底102的后侧表面处横向地包围漂移掺杂区域122，使得在半导体衬底102的后侧表面处，漂移掺杂区域不延伸到RC IGBT单元200-B的横向限度。这可以减少布置在公共半导体衬底中的RC IGBT单元和FC IGBT单元之间的串扰。
为了进一步说明如何减少串扰，图2c示出了半导体器件200-C的示意性截面，半导体器件200-C包括布置在半导体器件200-C的公共半导体衬底102中的多个110 FC IGBT单元和多个120 RC IGBT单元102。为了简化说明，在图2c中未示出半导体衬底102的体掺杂区域和发射极掺杂区域。多个110 FC IGBT单元和多个120 RC IGBT单元的个体单元由场效应晶体管的示意性符号来指示。
多个110 FC IGBT单元由第一发射极电极104-1接触，并且多个120 RC IGBT单元由第二发射极电极104-2接触。在应用中，第一发射极电极104-1可以被连接到负载源，第二发射极电极104-2可以被连接到电流感测源。此外，在半导体器件200-C的示例中，漂移掺杂区域122是n掺杂的，并且集电极掺杂区域134是p掺杂的。在半导体器件200-C的正向操作模式期间，电子电流281可以在每个FC IGBT单元内从第一发射极电极104-1流动到由多个110FC IGBT单元包括的漂移掺杂区域122的所述部分中。为了防止多个110 FC IGBT单元和多个120 RC IGBT单元之间的串扰，期望该电子电流281流动到由多个110 FC IGBT单元包括的集电极掺杂区域134的部分中。然后，可以将对应的空穴电流282从由多个110 FC IGBT单元包括的集电极掺杂区域134的部分注入到由多个110 FC IGBT单元包括的漂移掺杂区域122的部分中。
为了防止电子电流281经由多个120 RC IGBT单元所包括的漂移掺杂区域122的所述部分流动到集电极电极（这引起FC IGBT单元和RC IGBT单元之间的串扰），半导体器件200-C的漂移掺杂区域122和集电极电极（图2c中未示出）之间的界面区可以定位成充分横向远离多个110 FC IGBT单元。
为此，根据本公开的至少一些实施例，沿着半导体衬底102的后侧表面从多个110FC IGBT单元中的任何一个到位于半导体衬底102的后侧表面处的漂移掺杂区域122的一部分的最小横向距离可以大于1μm（或大于2μm、或大于5μm、或大于10μm）。以这种方式，可以减少和/或避免半导体器件的正向（和/或反向操作模式）期间RC IGBT单元和FC IGBT单元之间的串扰。
换句话说，对于（半导体器件200-C的）设计，低于电流感测焊盘（例如，第二发射极电极104-2）的p集电极的开口（例如，由多个120 RC IGBT单元包括的集电极掺杂区域134的所述部分）可能小得足以防止串扰。为此，可能期望确保还用于与电流感测单元（例如，RCIGBT单元）相邻的负载单元（例如，FC IGBT单元）的衬底p集电极的点火。
为了减少串扰和/或由于FC IGBT单元的总数可能高于半导体器件（例如，图1的半导体器件100）的RC IGBT单元的总数，漂移掺杂区域122可以占用半导体衬底102的后侧表面的小于30%（或小于10%、或小于1%、或小于0.10%、或小于0.01%）。
单个IGBT单元（例如，RC IGBT单元200-B）可以包括用于在正向和反向操作模式期间导通电流竖直通过半导体衬底并且在包括RC IGBT单元的半导体器件的阻断操作模式期间阻断电流竖直流动通过半导体衬底的装置。然而，根据至少一些实施例，多个120 RCIGBT单元可以整体地被配置成在正向和反向操作模式期间导通电流竖直通过半导体衬底102，并且在半导体器件的阻断操作模式期间阻断电流竖直流动通过半导体衬底102。
例如，半导体器件200-C的多个120 RC IGBT单元被连接到半导体器件200-C的第二发射极电极104-2。然后，多个120 RC IGBT单元的第一子集可以被配置为：在正向操作模式期间导通电流竖直通过半导体衬底102，并且在反向操作模式期间阻断电流竖直流动通过半导体衬底102。例如，在多个120 RC IGBT单元的第一子集内，集电极掺杂区域134可以将漂移掺杂区域122与半导体衬底102的后侧表面分离，并且由此与集电极电极分离。
另一方面，多个120 RC IGBT单元的第二子集可以被配置为：在正向和反向操作模式期间导通电流竖直通过半导体衬底102。为此，多个120 RC IGBT单元的第二子集可以排除集电极掺杂区域134，使得漂移掺杂区域可以跨第二子集的RC IGBT单元内半导体衬底102的后侧表面横向延伸。换句话说，多个120 RC IGBT单元的第一子集中的IGBT单元可以包括与图2a的FC IGBT单元200-A相对应的结构，而多个120 RC IGBT单元的第二子集中的IGBT单元可以包括与双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管单元（DMOSFET单元）的结构相对应的结构。因此，集电极掺杂区域134可以在至少一个反向导通绝缘栅双极晶体管单元内的半导体衬底102的后侧表面处横向延伸。
根据半导体器件200-C的示例性实现方式，多个120 RC IGBT单元中的至少一些被彼此相邻地横向布置。半导体衬底102的后侧表面处的漂移掺杂区域122的最大宽度可以大于相邻布置的RC IGBT单元的单元间距。这可以允许在半导体衬底102的后侧表面处的漂移掺杂区域122的最大宽度较大，并且由此简化半导体器件200-C的制造过程和/或制造公差。相邻布置的RC IGBT单元的单元间距可以对应于RC IGBT单元的宽度。
例如，半导体衬底102的后侧表面处的漂移掺杂区域122的最大宽度可以大于相邻布置的RC IGBT单元的总宽度，只要沿着半导体衬底的后侧表面从多个110 FC IGBT单元中的任何一个到位于半导体衬底的后侧表面处的漂移掺杂区域的一部分的最小横向距离大于1μm。为此，半导体衬底102的既不被RC IGBT单元也不被FC IGBT单元占用的部分可以被横向布置在多个120 RC IGBT单元和多个110 FC IGBT单元之间。
替代地，半导体衬底102的后侧表面处的漂移掺杂区域122的最大宽度可以小于相邻布置的RC IGBT单元的总宽度。例如，半导体衬底102的后侧表面处的漂移掺杂区域122的最大宽度可以小于相邻布置的RC IGBT单元的总宽度的90%（或小于75%、或小于50%、或小于30%）。
这里，半导体衬底102的后侧表面处的漂移掺杂区域122的最大宽度可以对应于漂移掺杂区域122与集电极电极132的界面区的最大宽度。半导体衬底102的后侧表面处的漂移掺杂区域122的长度（例如，垂直于图2b-c中所示的截面的漂移掺杂区域122的横向延伸）可能大于半导体衬底102的后侧表面处的漂移掺杂区域122的最大宽度。
另外，在相邻布置的RC IGBT单元内，集电极掺杂区域134可以在半导体衬底102的后侧表面处横向包围漂移掺杂区域122。这在图2c中示出并且可以减少在多个120 RC IGBT单元和多个110 FC IGBT单元之间的串扰。
再次返回图2b，集电极掺杂132区域和漂移掺杂区域122在RC IGBT单元200-B内在半导体衬底102的后侧表面处横向延伸。在包括RC IGBT单元200-B的半导体器件的正向操作模式中，集电极掺杂区域132可以减小RC IGBT单元200-B的集电极-发射极电阻。然而，因为在FC IGBT单元200-A内集电极掺杂区域132可以在FC IGBT单元200-A的（整个）后侧表面上方延伸，所以图2a的FC IGBT单元200-A可以包括在正向操作模式期间比RC IGBT单元200-B更低的集电极-发射极电阻。
由于该原因，示例性半导体器件可以包括比RC IGBT单元的总数更高的FC IGBT单元总数。然后，可以采用FC IGBT单元来在正向操作模式期间导通半导体器件的负载电流（例如，正向电流），而RC IGBT单元可以用于测量半导体器件的物理量（例如，半导体器件的负载电流和/或温度）。因为对于这样的测量任务，远低于负载电流的电流可以流动通过多个RC IGBT单元（例如，小于负载电流的1%、或小于0.10%、或小于0.01%），所以由RC IGBT单元的增加的集电极-发射极电阻而导致的损耗可能仅略微贡献于半导体器件的总体损耗。另一方面，由于在正向操作模式期间具有较低集电极-发射极电阻的FC IGBT单元的占主导的数目，与其他反向导通IGBT器件相比，半导体器件的总体损耗可能被降低。
为了在反向操作模式期间导通负载电流（例如，反向电流）（或为了降低在反向操作模式期间半导体器件的损耗），半导体器件100还可以包括二极管。二极管可以在多个FCIGBT单元和多个RC IGBT单元外部。此外，二极管可以被配置为在反向操作模式期间导通通过半导体器件100的总电流（例如，总反向电流）的至少70%（或至少80%、或至少90%、或至少99%、或至少99.90%、或至少99.99%）。例如，二极管可以是续流二极管。
为了在反向操作模式期间导通总电流的这种主要部分，二极管的横向面积（例如，平行于二极管的半导体衬底的前侧表面并垂直于通过二极管的电流方向的二极管的截面）可以被调整尺寸为相应地大于多个RC IGBT单元的总横向面积。例如，当二极管被配置为在反向操作模式期间导通总电流的70%时，多个RC IGBT单元可以被配置为导通总电流的剩余30%。然后，二极管的横向面积可以为多个RC IGBT单元的总横向面积的大约7/3倍。
二极管可以包括与所述多个FC IGBT单元和所述多个RC IGBT单元的公共半导体衬底分离的半导体衬底。然后，二极管可以与所述多个FC IGBT单元和所述多个RC IGBT单元的公共半导体衬底一起集成到公共半导体封装中。替代地，二极管可以被布置在所述多个FC IGBT单元和所述多个RC IGBT单元的公共半导体衬底的另一部分中。
根据一些实施例，半导体衬底可以是硅衬底。替代地，半导体衬底可以是具有比硅的带隙（1.1eV）大的带隙的宽带隙半导体衬底。例如，半导体衬底可以是基于碳化硅（SiC）的半导体衬底或基于砷化镓（GaAs）的半导体衬底，或基于氮化镓（GaN）的半导体衬底。半导体衬底可以是半导体晶片或半导体管芯。
半导体衬底的前侧表面可以是用于实现比在后侧表面更精细和复杂结构的表面，因为如果结构已经被形成在例如半导体衬底的一侧，则过程参数（例如温度）和处理可能针对后侧表面受到限制。
区域、区域的各部分和/或层的竖直方向、竖直尺寸（例如，深度）、厚度以及结构的厚度可以例如与半导体衬底的后侧表面垂直地测量。可以平行于半导体衬底的后侧表面测量横向方向和横向尺寸（例如，长度和宽度）。如果其被称为区域、区域的一部分、区、结构和/或层的长度和/或宽度，则该长度指定较长的横向尺寸，并且宽度指定例如结构和/或层的较短横向尺寸。
包括第一导电类型的区域可以是p掺杂区域（例如通过合并例如铝离子或硼离子产生）或n掺杂区域（例如通过合并例如氮离子、磷离子或砷离子产生）。因此，第二导电类型相应地指示相反的n掺杂区域或p掺杂区域。换句话说，第一导电类型可以指示p掺杂，并且第二导电类型可以指示n掺杂，或反之。
图3a示出了FC IGBT单元301和与FC IGBT单元301并联连接的二极管350的组件300-A的示意性截面。组件300-A可以包括额外的FC IGBT单元和/或额外的RC IGBT单元。FCIGBT单元301可以类似于图2a的FC IGBT单元200-A。在图3a的示例中，第一导电类型是p，并且第二导电类型是n。此外，FC IGBT单元301的漂移掺杂区域包括漂移部分122-1和竖直布置在FC IGBT单元301的漂移部分122-1和集电极掺杂区域134之间的场停止部分122-2（或场停止层）。场停止部分122-2包括比漂移部分122-1更高的最大掺杂。
二极管350包括第一导电类型的第一二极管掺杂区域352和第二导电类型的第二二极管掺杂区域354。第一二极管掺杂区域352与第二二极管掺杂区域354形成pn结。第一二极管掺杂区域352电连接到FC IGBT单元301的发射极电极104。第二二极管掺杂区域354电连接到FC IGBT单元301的集电极电极（图3a中未示出）。
在包括组件300-A的半导体器件的正向操作模式期间，集电极电极可以处于比发射极电极104更高的电位，并且施加到FC IGBT单元的栅极电极112的电压可以高于FC IGBT单元301的阈值电压（例如，栅极-发射极阈值电压）。这样，正向电流383（例如，负载电流）可以从集电极电极经由集电极掺杂区域134与漂移掺杂区域的pn结并且经由导电沟道流动通过FC IGBT单元301的第一和第二体掺杂区域116-1、116-2到达发射极电极104。二极管350的pn结可以在正向操作模式期间被反向偏置，使得二极管350可以在正向操作模式期间阻断电流流动通过它。
在包括组件300-A的半导体器件的反向操作模式期间，发射极电极104可以处于比集电极电极更高的电位。因此，在集电极掺杂区域134和漂移掺杂区域之间的pn结可以被反向偏置，同时二极管350的pn结可以被正向偏置。因此，反向电流384可以从发射极电极（或从连接到发射极电极的布线元件）经由二极管350流动到集电极电极（或流动到连接到集电极电极的布线元件）。
在FC IGBT单元301的阻断操作模式中，集电极电极可以处于比发射极电极104更高的电位。施加到FC IGBT单元的栅极电极112的电压可以小于FC IGBT单元301的阈值电压。因此，可以既不在第一体掺杂区域116-1中也不在第二体掺杂区域116-2中引起导电沟道，使得可以在阻断操作模式期间阻断电流流动通过FC IGBT单元301。由于二极管350在阻断操作模式期间被反向偏置，所以还可以阻断电流流动通过二极管350。
当然，FC IGBT单元301和二极管350也可以是互补掺杂的，这意味着第一导电类型可以是n，并且第二导电类型可以是p。然后，对于不同的操作模式施加到组件300-A的电压可以具有相反极性，从而导致相反的电流方向。
图3b示出了另一RC IGBT单元300-B的示意性截面。RC IGBT单元300-B可以类似于图2b的RC IGBT单元200-B。此外，RC IGBT单元300-B（或多个RC IGBT单元300-B）可以与图3a的一个或多个FC IGBT单元301一起被布置在公共半导体衬底102中。在示例性RC IGBT单元300-B中，第一导电类型为p，并且第二导电类型为n。
RC IGBT单元300-B包括半导体衬底102的漂移掺杂区域的至少一部分。在RC IGBT单元300-B内，存在位于半导体衬底102的后侧表面处的漂移掺杂区域的两个部分122-3、122-4。位于半导体衬底102的后侧表面处的漂移掺杂区域的两个部分122-3、122-4可以包括比漂移掺杂区域的场停止部分122-2和/或漂移部分122-1更高的最大掺杂浓度。此外，RCIGBT单元300-B包括位于半导体衬底102的后侧表面处的半导体衬底102的集电极掺杂区域134的至少一部分。RC IGBT单元300-B所包括的集电极掺杂区域134的所述部分以及漂移掺杂区域的所述两个部分122-3、122-4可以在半导体衬底102的后侧表面处与集电极电极接触。
在正向操作模式期间和/或在包括RC IGBT单元300-B的半导体器件的阻断操作模式期间，集电极电极可以比接触RC IGBT单元300-B的半导体器件的（第二）发射极电极104处于更高的电位。在阻断操作模式期间，施加到RC IGBT单元的栅极电极112的电压可能低于RC IGBT单元300-B的阈值电压（例如，栅极-发射极阈值电压），使得可以阻断（正向）电流流动通过RC IGBT单元300-B。在正向操作模式期间，施加到栅极电极112的电压可能高于阈值电压。如图3b中所示，正向电流383然后可以从集电极电极经由集电极掺杂区域134与漂移掺杂区域的pn结并且经由导电沟道流动通过RC IGBT单元300-B的第一和第二体掺杂区域116-1、116-2到达发射极电极104。
在包括RC IGBT单元300-B的半导体器件的反向操作模式期间，集电极电极可以比发射极电极104处于更低的电位。这可以正向偏置体掺杂区域116-1、116-2和漂移掺杂区域之间的pn结。然后，反向电流384可以从发射极电极104经由体掺杂区域116-1、116-2流动到漂移掺杂区域中。因为在RC IGBT单元300-B内漂移掺杂区域延伸到其与集电极电极接触的半导体衬底102的后侧表面，所以反向电流可以从漂移掺杂区域（直接）流动到集电极电极。
当然，RC IGBT单元300-B还可以是互补掺杂的，这意味着第一导电类型可以是n，并且第二导电类型可以是p。然后，针对不同的操作模式施加到RC IGBT单元300-B的电压可以具有相反极性，产生了相反电流方向。
在半导体器件（例如，图1的半导体器件100）中，接触RC IGBT单元300-B（或多个RCIGBT单元300-B）的发射极电极104可以与接触一个或几个FC IGBT单元的发射极电极绝缘。以这种方式，流动通过RC IGBT单元300-B（或多个RC IGBT单元300-B）的正向电流383和/或反向电流384（或其部分）可以在用于确定半导体器件的物理量的测量应用中使用。
为了进一步说明提供单独的发射极电极的原理，图4示出了半导体器件400的示意性俯视图。半导体器件400可以类似于图1的半导体器件100。半导体器件400包括多个FCIGBT单元和多个RC IGBT单元。所述多个FC IGBT单元和所述多个RC IGBT单元可以被布置在半导体器件400的公共半导体衬底中。具体地，图4示出了半导体器件400的布线层堆叠的顶部金属化层的示意性俯视图。布线层堆叠可以包括横向布线元件（例如，传输线、导电平面和/或接触焊盘）以及竖直布线元件（例如，通孔）。
顶部金属化层包括第一发射极焊盘104-1。第一发射极焊盘104-1可以电连接到与所述多个FC IGBT单元（例如，IGBT负载单元）的发射极掺杂区域和体掺杂区域接触的第一发射极电极。此外，顶部金属化层包括第二发射极焊盘104-2。第二发射极焊盘104-2可以电连接到与所述多个RC IGBT单元（例如，IGBT感测单元）的发射极掺杂区域和体掺杂区域接触的第二发射极电极。第一和第二发射极焊盘104-1、104-2彼此电绝缘。第一发射极焊盘比第二发射极焊盘覆盖更大的顶部金属化平面的横向面积。例如，第一发射极焊盘104-1的横向面积可以是第二发射极焊盘104-2的横向面积的至少10倍（或至少25倍、或至少50倍或至少100倍）大。以这种方式，第一发射极焊盘104-1可以比第二发射极焊盘104-2导通更高的电流，并且可以电连接到比与第二发射极焊盘104-2电连接的RC IGBT单元的数目更大数目的FC IGBT单元。
第二发射极焊盘104-2位于顶部金属化平面的中心（或接近中心，例如，小于半导体衬底远离中心的最大横向延伸的10%），并且由第一发射极焊盘104-1横向包围。在位于布线层堆叠下方的半导体衬底中，所述多个RC IGBT单元然后可以位于半导体衬底的中心（或者接近半导体衬底的中心），同时由所述多个FC IGBT单元横向包围。为了利用RC IGBT单元进行温度测量，可能期望将RC IGBT单元（例如，RC电流感测单元）放置在半导体器件400（例如，IGBT）的半导体衬底的中心附近，在该位置处可能出现最高温度。
根据本公开的另一方面，图5示出了绝缘栅双极晶体管（IGBT）器件500的示意性截面的一部分。IGBT器件500包括第一导电类型的第一晶体管掺杂区域534和第二导电类型的第二晶体管掺杂区域522。第一晶体管掺杂区域534和第二晶体管掺杂区域522被布置在IGBT器件500的公共半导体衬底502中。此外，IGBT器件500包括在半导体衬底502的后侧表面处与第一晶体管掺杂区域534和第二晶体管掺杂区域522接触的集电极电极532。在集电极电极532和第一晶体管掺杂区域532之间的接触面积533大于在集电极电极和半导体衬底502的后侧表面之间的总接触面积的70%（或大于90%、或大于99%、或大于99.90%、或大于99.99%）。
在集电极电极532与不同导电类型的两个掺杂区域之间提供接触可以将IGBT器件500配置为在正向和反向操作模式中将电流竖直导通通过半导体衬底502（例如，在IGBT器件500的发射极电极和集电极电极532之间）。这进而可以实现测量（例如得出）和/或监视IGBT器件500的物理量，诸如正向操作模式中的正向电流、反向操作模式中的反向电流和/或IGBT器件500的温度。通过把集电极电极532和第一晶体管掺杂区域532之间的接触面积533调整尺寸为集电极电极532和半导体衬底502的后侧表面之间的总接触面积的至少70%（或如上所述的更大），可以在导通、切换和/或阻断方面改善IGBT器件500的性能。例如，在集电极电极532与第一晶体管掺杂区域532之间的较大接触面积533可以增加IGBT器件500的阻断电压（或击穿电压），从而减少IGBT器件500的切换时间（例如，在正向、反向和阻断操作模式之间），和/或可以在正向操作模式期间降低IGBT器件的发射极-集电极电阻。集电极电极532和第二晶体管掺杂区域522之间的接触面积可以小于集电极电极532和半导体衬底502的后侧表面之间的总接触面积的30%（或小于10%、或小于1%、或小于0.10%、或小于0.01%）和/或大于其1/500000（五十万分之一）（或大于0.05%、或大于0.50%、或大于5%）。
例如，第一晶体管掺杂区域534是IGBT器件500的集电极掺杂区域，并且第二晶体管掺杂区域是绝缘栅双极晶体管器件500的漂移掺杂区域522。
例如，IGBT器件500可以是功率半导体器件。IGBT器件500可以包括大于大于10V（例如10V、20V或50V的阻断电压）、大于100V（例如，200V、300 V、400V或500V的阻断电压）或大于500V（例如600V、680V、700V、800V或1000V的阻断电压）或大于1000V（例如，1200V、1500V、1700 V或2000 V的阻塞电压）的阻断电压（或击穿电压）。
图6示出了用于操作半导体器件的方法600的流程图。该方法包括在半导体器件的第一发射极电极和第二发射极电极之间耦合610电阻器。第一发射极电极电连接到半导体器件的多个FC IGBT单元。第二发射极电极电连接到半导体器件的多个RC IGBT单元。此外，方法600包括在半导体器件的反向操作模式期间把半导体器件的反向电流的至少一部分导通620通过多个RC IGBT单元。此外，方法600包括确定630在反向操作模式期间跨电阻器的（第一）电压。此外，方法600包括基于跨电阻器的电压得出640反向电流的量值。
通过根据方法600操作半导体器件，可以得出反向电流的量值。关于反向电流的量值的知识可以用于各种应用，例如用于控制反向电流的量值和/或如果反向电流的量值超过上限则采取预防措施。在这种情况下，可以关闭半导体器件的供应电压和/或可以将半导体器件与它所操作于其中的电路断开。这可以提高半导体器件和/或半导体器件所用于的电路的操作的可靠性。
得出640反向电流的量值可以另外包括：得出通过多个RC IGBT单元的反向电流的部分的量值，以及通过反向电流缩放因子缩放反向电流的所述部分的量值。反向电流缩放因子可以基于所述多个RC IGBT单元的总横向面积与二极管的横向面积的比率。二极管可以在所述多个FC IGBT单元和所述多个RC IGBT单元的外部，并且可以被耦合在半导体器件的第一发射极电极和集电极电极之间。
为此，方法600还可以包括：把反向电流的至少第二部分导通通过二极管。例如，反向电流的第二部分可以合计达到反向电流的至少70%（或达到至少90%、或达到至少99%、或达到至少99.90%、或达到至少99.99%）。
所述多个RC IGBT单元的总横向面积可以是所述多个RC IGBT单元中的每一个的横截面积的总和。流动通过所述多个RC IGBT单元的反向电流的所述部分可以流动通过所述多个RC IGBT单元的这个总横向面积。换句话说，流动通过所述多个RC IGBT单元的反向电流的所述部分的方向可以垂直于所述多个RC IGBT单元的总横向面积。二极管的总横向面积可以是二极管的横截面积，反向电流的第二部分可以流动通过该二极管横截面积。
二极管可以是半导体器件的续流二极管，并且可以被配置为在半导体器件的反向操作模式期间导通电流并且在正向操作模式期间阻断电流。二极管可以被集成到FC IGBT单元和RC IGBT单元的公共衬底中，或者可以包括单独的半导体衬底，并且与FC IGBT单元和RC IGBT单元的公共半导体衬底一起被集成到公共半导体封装中。
通过把反向电流的至少70%（或如上所述的更多）导通通过二极管，可以减少在反向操作模式期间的半导体器件的损耗。例如，二极管可以提供比所述多个RC IGBT单元更低的对反向电流的电阻。然后，可以采用流动通过所述多个RC IGBT单元的反向电流的较小部分（例如，小于反向电流的30%）来确定反向电流的第二部分和/或总反向电流，同时在半导体器件中仅引起不显著的损耗。
此外，方法600还可以包括：在半导体器件的正向操作模式期间把半导体器件的正向电流导通通过所述多个FC IGBT单元和所述多个RC IGBT单元。此外，方法600可以包括：确定在正向操作模式期间跨电阻器的第二电压，并且基于跨电阻器的第二电压得出正向电流的量值。因此，方法600可以允许监视通过半导体器件的电流，不管半导体器件在正向操作模式中还是在反向操作模式中进行操作，因为正向和反向电流的量值都可以得出。这可以提高半导体器件和/或半导体器件所用于的电路或应用的操作的可靠性。
得出正向电流的量值可以包括：得出流动通过电阻器的正向电流的一部分的量值，以及通过正向电流缩放因子来缩放正向电流的所述部分的量值。正向电流缩放因子可以基于FC IGBT单元的总数与RC IGBT单元的总数的比率。
例如，正向电流的所述部分可以流动通过多个RC IGBT单元并且通过可以与多个RC IGBT单元串联连接的电阻器。然后，正向电流的该（第一）部分可以引起跨电阻器的（第二）电压。在知道电阻器的电阻（例如，通过电路设计）的情况下，可以从跨电阻器的电压得出流动通过电阻器并因此通过多个RC IGBT单元的正向电流的所述第一部分的量值。流动通过多个RC IGBT单元的正向电流的第一部分可以与流动通过多个FC IGBT单元的正向电流的第二（例如，剩余）部分成比例。该比例以及因此正向电流缩放因子可以取决于半导体器件的FC IGBT单元的总数与RC IGBT单元的总数的比率。通过将正向电流的第一部分的量值与该比率（例如，与正向电流缩放因子）相乘，可以得出流动通过多个FC IGBT单元的正向电流的第二部分的量值和/或（总）正向电流的量值。
例如，导通半导体器件的正向电流可以包括：把正向电流的至少70%（或至少90%、或至少99%、或至少99.90%、或至少99.99%）导通通过多个FC IGBT单元。由于FC IGBT单元的发射极-集电极电阻可能低于RC IGBT单元的发射极-集电极电阻，所以把更多的正向电流导通通过所述多个FC IGBT单元可以导致半导体器件的更加功率高效的操作。
此外，方法600可以包括在反向操作模式期间在第一和第二发射极电极之间耦合电源。此外，方法600可以包括：确定在反向操作模式期间第一和第二发射极电极之间的电压，以及基于第一和第二发射极电极之间的电压得出半导体器件的温度。因此，可能能够在半导体器件的操作期间监视半导体器件的温度。例如，在半导体器件的温度超过上限的情况下，可以采取预防措施，例如增加半导体器件的冷却（例如，增加用于冷却半导体器件的风扇的速度）或关闭半导体器件和/或半导体器件所用于的电路。以这种方式，可以提高半导体器件的操作的可靠性。
电源可以是电流源和/或电压源（例如，小信号电流源和/或小信号电压源）。电源可以向第二发射极电极提供恒定（例如，温度稳定的或基本上温度不相关的）电流。由电源提供的电流可以不同于半导体器件的负载电流，并且可以提供用于得出半导体器件的温度的装置。例如，在反向操作模式期间，半导体器件的负载电流可以是由电源提供的电流的至少十倍（或至少百倍、或至少千倍）大。在反向操作模式期间，负载电流可以例如流动通过与半导体器件的多个FC IGBT单元并联连接的（续流）二极管。
当在反向操作模式期间在第一和第二发射极电极之间耦合电源时，电源可以与电阻器串联电连接，使得包括电源和电阻器的串联连接被耦合在第一和第二发射极电极之间。以这种方式，电阻器可以被合并到电源中。例如，电阻器可以用作电源的内部电阻或反馈电阻器。替代地，当在反向操作模式期间在第一和第二发射极电极之间耦合电源时，电阻器可以与第一和第二发射极电极中的至少一个去耦合，并且电源可以直接耦合在第一和第二发射极电极之间。
在反向操作模式期间，半导体器件的第一和第二发射极电极之间的电压可以取决于半导体器件的温度。因为电源的电流可以保持恒定，所以第一和第二发射极电极之间的电压可能不会被电源电流改变，而是可以随着半导体器件的温度而改变。那么，第一和第二发射极电极之间的电压可以指示半导体器件的温度。
另外，方法600可以包括：在半导体器件的正向操作模式期间将半导体器件的栅极电压设置为第一值，以及当确定第一和第二发射极电极之间的电压时（例如，在反向操作模式期间），将栅极电压设置为第二值。栅极电压的第二值可以小于第一值，并且可以大于半导体器件的阈值电压（例如，发射极-栅极阈值电压）。以这种方式，可以增加第一和第二发射极电极之间的电压的温度相关性，这可以有助于基于第一和第二发射极电极之间的电压来得出半导体器件的温度。栅极电压可以被施加到多个FC IGBT单元和多个RC IGBT单元的栅极电极。
替代地，方法600可以包括：当确定第一和第二发射极电极之间的电压时（例如，在反向操作模式期间），将半导体器件的栅极电压降低到低于半导体器件的阈值电压。以这种方式，电源的电流可以经由漂移掺杂区域的一部分和多个RC IGBT单元所包括的体掺杂区域之间的pn结流动。跨该pn结的电压可以包括温度相关性。由于第一和第二发射极电极之间的电压还可以取决于跨漂移掺杂区域的所述部分与多个RC IGBT单元所包括的体掺杂区域之间的pn结的电压，所以第一和第二发射极电极之间的电压可以指示半导体器件的温度。
图7a示出了电路700的示意图，电路700包括具有多个FC IGBT单元和多个RC IGBT单元的半导体器件100以及用于得出半导体器件100的物理量的电路。半导体器件100可以类似于图1的半导体器件100。在该示例中，FC IGBT单元和RC IGBT单元是npnp绝缘栅双极晶体管单元，使得第一导电类型为p，并且第二导电类型为n 。半导体器件100的第一发射极电极104-1被耦合到多个FC IGBT单元，并且半导体器件100的第二发射极电极被耦合到多个RC IGBT单元。半导体器件100的集电极电极132被耦合到多个FC IGBT单元和多个RCIGBT单元二者。此外，半导体器件100包括二极管350。二极管350的阳极电连接到第一发射极电极104-1。二极管的阴极电连接到集电极电极132。
此外，电路700包括栅极驱动器放大器760，栅极驱动器放大器760的输出被电连接到半导体器件100的栅极电极结构112。栅极电极结构112可以包括半导体器件100的FCIGBT单元和RC IGBT单元二者的栅极电极。栅极驱动器放大器760的输入可以被配置为接收用于控制半导体器件100的操作的另一控制电路（图7a中未示出）的栅极信号。电路700所包括的电阻器762（例如，感测电阻器）被耦合在第二发射极电极104-2和开关764（例如，单刀双掷开关，SPDT开关）之间。电阻器762的第一端子被耦合到第二发射极电极104-2，并且电阻器762的第二端子被耦合到开关764的公共端口。开关764的第一投掷端子被耦合到第一发射极电极104-1（和二极管350的阳极）。开关764的第二投掷端子被耦合到电路700的电源766（例如，小信号电流源）的第一端子。电源766的第二端子被耦合到第一发射极电极104-1。此外，开关764被配置为从控制电路接收开关信号，以将公共端子与第一或第二投掷端子电连接。此外，电路700包括感测放大器768。感测放大器768的第一输入被耦合到电阻器762的第一端子（和第二发射极电极104-2）。感测放大器768的第二输入被耦合到第一发射极电极104-1。感测放大器被配置为放大其第一和第二输入之间的电压。感测放大器768的输出可以被连接到控制电路。感测放大器的输出电压可以指示半导体器件100的物理量（例如，正向电流、反向电流和/或温度）。
例如，图7a示出了用于测量（半导体器件100的）电流和温度的示例性电路。为了降低复杂度，电流和温度的测量将在各个子部分中进行说明。在应用中，可以顺序地按次序执行测量任务，以便在每个脉宽调制（PWM）周期获得一个或多个电流和温度信号。
图7b示出了在图7a的电路700内处于正向操作模式的半导体器件100。在图7b中，电路700被配置为得出半导体器件100的正向电流的量值。为此，开关764被设置为使得其公共端子被连接到其第一投掷端子。
半导体器件100的正向电流在集电极电极132处流动到半导体器件中（例如，忽略二极管的漏电流）。正向电流的第一部分785流动通过多个RC IGBT单元，并且在第二发射极电极104-2处离开半导体器件100。正向电流的第二（剩余）部分流动通过多个FC IGBT单元，并且在第一发射极电极104-1处离开半导体器件100。正向电流的第一部分785进一步流动通过电阻器762并且经由开关764流动到第一发射极电极（或流动到连接到第一发射极电极的布线元件），在该处它汇合流动通过多个FC IGBT单元的正向电流的第二部分。正向电流的第一部分785引起跨电阻器762的（第一）电压。跨电阻器762的（第一）电压由感测放大器768放大，并且可以被提供给控制电路，控制电路可以被配置为基于跨电阻器762的（第一）电压得出正向电流的第一部分785的量值。此外，控制电路可以被配置为按照正向电流缩放因子缩放正向电流的第一部分785的量值，以得出（总）正向电流的量值和/或流动通过多个FC IGBT单元的正向电流的第二部分的量值。如在图6的上下文中所说明的，正向电流缩放因子可以基于半导体器件100的FC IGBT单元的总数与RC IGBT单元的总数的比率。
例如，图7b示出了处于导通状态（例如，正向操作模式）中的绝缘栅双极晶体管（IGBT）。反向导通（RC）感测单元（例如，RC IGBT单元）可以用于正方向上的电流感测。
图7c示出了在图7a的电路700内的反向操作模式中的半导体器件100。在图7c中，电路700被配置为得出半导体器件100的反向电流的量值。为此，将开关764设置为使得其公共端子连接到其第一投掷端子。
由于多个FC IGBT单元被配置为在反向操作模式期间阻断电流流动通过它们，所以反向电流在多个RC IGBT单元和二极管350之间划分。反向电流的第一部分786可以经由开关762和电阻器762通过多个RC IGBT单元流动到集电极电极132。反向电流的第二（剩余）部分可以流动通过二极管350并且在集电极电极132处（或在连接到集电极电极132的布线元件处）与反向电流的第一部分786汇合。反向电流的第一部分786引起跨电阻器762的（第二）电压。跨电阻器762的（第二）电压被感测放大器768放大，并且可以被提供给控制电路，控制电路可以被配置为基于跨电阻器762的（第二）电压来得出反向电流的第一部分786的量值。此外，控制电路可以被配置为按照反向电流缩放因子缩放反向电流的第一部分786的量值，以得出（总）反向电流的量值和/或流动通过二极管350的反向电流的第二部分的量值。如在图6的上下文中所说明的，反向电流缩放因子可以基于多个RC IGBT单元的总横向面积与二极管350的横向面积的比率。
例如，图7c示出处于关断状态（例如，反向操作模式）的IGBT（例如，半导体器件100）。二极管350是续流的。RC感测单元（例如，RC IGBT单元）可以用于在负方向上的电流感测。换句话说，RC IGBT感测发射极（例如，第二发射极电极）可以被连接到（感测）电阻器762。跨该电阻器762的压降可以给出可以与IGBT负载电流（例如，半导体器件100的正向和反向电流）相关的电流信号。感测电流可以理想化地与（感测单元的数目/负载单元的数目）（或者在二极管导通的情况下，其可以是（感测单元的二极管面积/反并联二极管的二极管面积））相关。具有基本电流流动路径的原理在图7b-c中示出。
图7d示出了在图7a的电路700内处于反向操作模式中的半导体器件100。在图7d中，电路700被配置为得出半导体器件100的温度。为此，将开关764设置为使得其公共端子被连接到其第二投掷端子。此外，由栅极驱动器放大器760公共地向多个FC IGBT单元和多个RC IGBT单元供应的栅极电压可以大于多个FC IGBT单元和多个RC IGBT单元的阈值电压（例如，栅极-发射极阈值电压）。
当（辅助）开关764将电源766（例如，小信号电流源或电压源）连接到感测电阻器762时，可以在多个RC IGBT单元（例如，电流感测单元）中在反向方向上注入小电流787（例如，小于1A）。该注入的电流787可以经由多个FC IGBT单元（例如，负载单元）在正常方向（例如，正向）上流动回到电源766。
这在图7e中更详细地图示，图7e示出了与图7a-d的半导体器件100类似的半导体器件700-E的示意性截面。从电源注入的电流787可以经由第二发射极电极104-2流动到多个120 RC IGBT单元中。具体地，注入的电流787可以经由多个120 RC IGBT单元的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）结构流动到半导体器件700-E的漂移掺杂区域122中，因为RC IGBT单元的栅极电压大于其阈值电压。因为栅极电压也被施加到多个110 FC IGBT单元，所以注入的电流787可以从多个120 RC IGBT单元的漂移掺杂区域122的所述部分流动到多个110 FC IGBT单元的漂移掺杂区域122的所述部分，并且经由多个110 FC IGBT单元的MOSFET结构流动到第一发射极电极104-1。然后，注入的电流可以流动回到电源766（在替代实施例中，注入的电流787的方向可以反向）。
多个120 RC IGBT单元的MOSFET结构和多个110 FC IGBT单元可以分别包括发射极掺杂区域、体掺杂区域和由RC IGBT单元和FC IGBT单元所包括的漂移掺杂区域的一部分。由于施加的栅极电压大于RC IGBT单元和FC IGBT单元的阈值电压，可以在体掺杂区域中形成导电通道。
在这种操作模式中（例如，在反向操作模式期间的温度检测），IGBT的栅极（例如，多个RC IGBT单元和FC IGBT单元的栅极）可以被接通，并且因此两个串联连接的MOSFET结构（例如，与多个FC IGBT单元的MOSFET结构串联连接的多个RC IGBT单元的MOSFET结构）的输出特性可以用图7a-d的测量电路700来检测。此外，注入的电流787可能不会流动到IGBT的pn后侧（例如，到漂移掺杂区域122和集电极掺杂区域134之间的pn结）。输出特性（MOSFET结构的输出特性）可以是温度相关的，并且因此可以检测与芯片温度（例如，半导体器件100、700-E的温度）相关的信号。因为串联连接的MOSFET结构位于第一和第二发射极电极104-1、104-2之间，所以第一和第二发射极电极104-1、104-2之间的电压可以指示半导体器件100、700-E的温度。该电压可以由感测放大器768放大。连接到感测放大器768的输出的控制电路可以被配置为基于第一和第二发射极电极104-1、104-2之间的电压来得出半导体器件100的温度。
在这种模式中，可以利用降低的栅极电压接通IGBT（例如，多个FC IGBT单元和多个RC IGBT单元）（例如，可以使用具有弱开启（turn-in）或者具有两个电平接通特征的栅极驱动器）。例如，虽然可以在正向操作模式期间将半导体器件的栅极电压设置为第一值，但是当确定在反向操作模式期间在第一和第二发射极电极之间的电压时，栅极电压可以被设置为小于第一值并且大于阈值电压的第二值。与两个MOSFET沟道完全接通的情况相比，在这种降低的栅极电压情况下，MOSFET结构的输出特性可以显示出与温度的较强相关性。然后，可能更容易使信号处理（例如，控制电路）得出更精确的温度值。对于较低的栅极电压，甚至线性模式可能不是关键的，因为能量耗散可以经由电源766（例如，小信号源）被控制。
总之，图7d-e示出了栅极接通情况下的温度感测。小信号源（例如，电源766）将电流馈送到两个串联连接的MOSFET（例如，RC感测IGBT单元和负载IGBT单元的MOSFET结构）中。电流可能不会流动到IGBT后侧。可以从接通的MOSFET结构的输出特性获得温度信号。降低的栅极电压可以促进信号处理。
图7f图示了额外借助于图7a的电路700得出半导体器件100的温度的替代方法。为此，半导体器件100处于反向操作模式，但是栅极驱动器放大器760公共地向多个FC IGBT单元和多个RC IGBT单元供应的栅极电压可以小于多个FC IGBT单元和多个RC IGBT单元的阈值电压（例如，栅极-发射极阈值电压）。开关764被设置为使得其公共端子被连接到其第二投掷端子。
当电源766（例如，小信号源）和感测电阻器762以与先前所说明的相同的方式连接，但是栅极被关断（例如，半导体器件100的栅极电压降低到低于半导体器件100的阈值电压）时，电源766可以将电流788馈送到多个RC IGBT单元（例如，RC感测IGBT单元）中。当栅极关断的多个FC IGBT单元（例如，IGBT负载单元）被关断时，电流788可以经由负载二极管阴极（例如，二极管350的阴极）流动，负载二极管阴极与负载发射极（例如，第一发射极电极104-1）相比可能具有约-1.4V的电位。因此，信号（例如，第一和第二发射极电极104-1、104-2之间的电压）可能与RC IGBT单元（例如，RC感测IGBT单元（pn体二极管））的温度相关。另外，该信号可能与负载二极管（例如，二极管350）的温度和负载相关，这可以实现得出二极管350的温度。
此外，可以针对该模式（例如，在反向操作模式期间当栅极电压降低到低于阈值电压的同时确定半导体器件100的温度时）连接电压源代替小信号电流源。（小信号电压源的电流的）电流流动可以处于（与小信号电流源）相同的方向和路径。不同之处可能在于（小信号电压源的）电流可能仅受（感测）RC IGBT单元的输出特性限制，这可能是该电路中最弱的部分（例如，可以基本上测量短路电流特性）。该特性可以是强温度相关的，并且可以经由跨感测电阻器（例如电阻器762）的压降来测量电流（I（Tj）=U电阻器/R感测）。
例如，图7f图示了在栅极关断情况下的温度感测。小信号源（例如，电源766）可以向RC感测IGBT单元（例如，多个RC IGBT单元）馈送电流，并且当IGBT负载单元（例如，多个FCIGBT单元）处于阻断操作模式中时，电流可以流动到负载二极管阴极（例如，二极管350的阴极）。
图7g图示了在不同温度下的pn结（例如，pn二极管）的温度相关输出特性700-G的基本示例。可以使用该信号以便测量所述结的温度。换句话说，图7g示出了经由pn结的压降的温度感测。
在图7g中，在水平轴上绘制跨pn结感测的电压，并且在竖直轴上绘制跨pn结的电流。不同的曲线对应于pn结的不同温度。例如，pn结的温度可以从最左边的曲线减小到最右边的曲线。由电路700感测在其位置处的电压的pn结可以是多个RC IGBT单元的体掺杂区域（或多个体掺杂区域）和漂移掺杂区域的所述部分之间的pn结。因为电路700的电源766（例如，小信号电流源）的电流可以保持恒定（例如，可以是温度稳定的或与温度无关的），所以跨pn结的感测电压的改变（其可以与第一和第二发射极电极104-1、104-2之间的电压相关）可以基本上是由于例如pn结以及因此半导体器件100的温度的改变而导致的。
图8示出了三相正弦（空间矢量）调制的电动机逆变器应用800的单相。根据电动机电流方向和对应开关的脉冲模式，可以选择相应的模式-电流或温度感测。
例如，当IGBT是控制开关（它通过接通时间来导通和控制电流，例如，它处于正向操作模式中）时，它在电流感测模式中进行动作。因此，还可以测量负载饱和和短路状况。当IGBT/二极管组合处于续流时（例如，在反向操作模式中），可以选择测量二极管电流还是IGBT温度。在高侧（例如，高侧IGBT）和低侧（例如，低侧IGBT）之间连通的情况下，尤其可以对二极管电流测量信号进行校准，因为在控制状态期间低侧的电流可以与后续二极管续流中的电流相同。在续流中，电流信号可以具有较低的优先级（因为它可能不被IGBT直接控制），并且因此该时段可以用于如图8中所示的温度感测。换句话说，图8图示了当采用根据本公开的实施例的包括多个FC IGBT单元和多个RC IGBT单元的半导体器件时的后续电流和温度测量。
与其他绝缘栅双极晶体管（IGBT）器件相比，本发明的实施例在关于阻断、导通和/或切换的性能方面、在二极管（续流）导通期间的电流感测方面、在温度感测方面和/或在制造精力方面可以是出众的。这些其他IGBT器件可以例如是具有片上电流感测和温度感测的IGBT、具有片上电流感测和温度感测的反向导通（RC）IGBT和/或具有MOSFET电流感测和温度感测的IGBT。大型大电流IGBT可以在内部包括数千个并联的IGBT单元。
在具有片上电流感测和温度感测的IGBT中，这些单元中的几个可以共同连接到集电极（芯片后侧），但是可以包括单独的“感测发射极”连接。该感测发射极可以连接到表示电流镜的测量电路（例如，电阻器和电压测量）。利用大约为（感测单元的数目/负载单元的数目）的因子，少量的电流可以流动通过测量路径，并且因此可以用这种相关性来测量在IGBT负载单元中流动的电流。在续流操作期间（即当具有片上电流感测和温度感测的IGBT阻断并且反并联二极管导通时），由于感测和负载IGBT单元二者都处于阻断状态，因此可能不会利用该原理来感测电流。
由于（具有片上电流感测和温度感测的IGBT的）感测单元可能仅与负载单元同时导通，所以可能不可以利用这些电流感测单元测量温度。因此，为了温度测量，可以在具有片上电流感测和温度感测的IGBT的芯片的个体面积（片上温度感测）中实现额外的小pn二极管。这些pn二极管消耗的面积可以减小有源IGBT面积，并且在IGBT过程中可以引入另外的额外过程步骤来制造这些温度感测二极管。温度感测二极管还可能对ESD（静电放电）事件非常敏感，并且可能需要进一步被保护，这可能会为该解决方案带来额外的复杂性。
本公开的实施例可以优于具有片上电流感测和温度感测的IGBT，因为在具有片上电流感测和温度感测的IGBT中，有源面积可能由于为温度感测二极管的两个接触焊盘提供空间而被损失。此外，与本公开的实施例相比，具有片上电流感测和温度感测的IGBT可能需要在IGBT生产期间的额外的过程层（例如，用于温度感测二极管、用于条形单元结构和/或可能还用于电流感测）。对于具有片上电流感测和温度感测的IGBT，可能不可以（直接）感测反并联二极管的温度（仅IGBT可以包括该温度/电流检测特征）。此外，尽管可以得出本公开的实施例的反向电流的量值，但是在具有片上电流感测和温度感测的IGBT中这可能是不可能的，因为当（反并联）二极管导通时，可能不存在任何可获得的电流信号（仅IGBT可以包括该温度/电流感测特征）。此外，由于温度感测二极管的弱ESD稳健性，所以具有片上电流感测和温度感测的IGBT可能不如本公开的实施例稳健。
在反向导通IGBT（RC IGBT）中，与RC IGBT的集电极电极接触的集电极掺杂区域（例如，p+区）可以被部分移除（局部MOSFET结构），并且因此可以做出在相反方向上的适当电流路径。与纯MOSFET结构相比，阻断能力（阻断电压对芯片厚度）仍然可以更好，并且导通行为仍然可以是双极性的，并且因此可以实现更高的电流密度。在RC IGBT中，片上电流感测和温度感测二极管的相同原理可以如在具有片上电流感测和温度感测的IGBT中一样被实现。
本公开的实施例可以包括比具有片上电流感测和温度感测的RC IGBT更好的电气性能（在阻断、导通和/或切换方面）。在具有片上电流感测和温度感测的RC IGBT中，在IGBT和（反并联）二极管性能之间的平衡可能需要折衷（例如，如果可能需要引入寿命终止以减少二极管操作期间的反向恢复和/或IGBT操作期间的接通状态损耗可能增加）。此外，具有片上电流感测和温度感测的RC IGBT可能在续流操作期间不会接通（反向操作模式期间二极管导通）。否则载流子密度可能会降低，导致更高的导通损耗（RC-D）。与本公开的实施例相比，在具有片上电流感测和温度感测的RC IGBT中可能需要更复杂的PWM（脉宽调制）脉冲模式（决定取决于电流流动方向）（RC-DC，其中MOS门控二极管操作可以用作特征）。
本公开的实施例可以优于具有片上电流感测和温度感测的RC IGBT，因为在具有片上电流感测和温度感测的RC IGBT中，有源面积可能由于为温度感测二极管的两个接触焊盘提供空间而损失。此外，与本公开的实施例相比，具有片上电流感测和温度感测的RCIGBT可能需要在IGBT生产期间的额外的过程层（例如，用于温度感测二极管）。此外，由于温度感测二极管的弱ESD器件稳健性，具有片上电流感测和温度感测的RC IGBT可能不如本公开的实施例稳健。
具有MOSFET电流感测和温度感测的IGBT是代替分离的IGBT检测发射极而具有针对电流感测实现的一些MOSFET单元的IGBT。针对这种情况的背景是IGBT单元的高度非线性的输出特性：当发射极感测被连接到感测电阻器以通过电阻器上的压降来测量感测电流时，发射极单元的源极参考可能被该压降移位。结果，由于陡峭的IV曲线（例如，电流-电压曲线），通过感测单元的负载电流可能会剧烈降低。因此，负载和电流感测电流之间的比率可能以电流相关的方式改变（感测上的压降），导致高度非线性的行为。MOS单元的输出特性可以是线性的并且不太陡峭，因此可以减少负载和感测单元操作的电流相关的失配。
具有反向导通电流感测单元的IGBT可能与具有MOSFET感测单元的这些IGBT有明显区别，因为MOS电流传感器可以包括不同的前侧（发射极）单元结构并且因此包括芯片中两个不同的单元设计，这可能导致更高生产精力并且可能表现出不平衡的动态切换特性行为。此外，MOS电流传感器可能不是纯粹的单极器件，这可能意味着空穴电流可能出现，并且还可能需要经由负载单元结构被移除。否则可能存在器件锁定的风险。
本公开的实施例可以优于具有MOSFET电流感测和温度感测的IGBT，因为在具有MOSFET电流感测和温度感测的IGBT中，在负载单元（IGBT）和感测单元（MOSFET）输出特性之间可能存在静态差异，导致感测和负载电流之间的系统失配。此外，在具有MOSFET电流感测和温度感测的IGBT中，可能存在MOSFET和IGBT切换的不同行为。然后，可能需要更长的时间来得到稳定的信号。此外，与本公开的实施例相比，具有MOSFET电流感测和温度感测的IGBT可能需要在IGBT生产期间的额外的过程层（例如，用于温度感测二极管）。此外，由于温度感测二极管的弱ESD稳健性，具有MOSFET电流感测和温度感测的IGBT可能不如本公开的实施例稳健。此外，在具有MOSFET电流感测和温度感测的IGBT中，用于负载和感测单元的前侧（发射极）单元设计可能不同，并且因此可能需要更多的设计和生产精力。
在较高的工作电压（例如，大于200 V），IGBT和二极管由于它们出众的阻断和导通/切换性能而可以是在电力电子系统（DC/DC、AC/DC、DC/AC和AC/AC转换器）中使用的半导体。在应用中，为了控制和监视这种电力电子系统，可能期望确定开关中的电压、电流和温度。在表示电气关键部件的情况下，通常优选的是，直接测量开关中的电压、温度和电流，而不是仅估计它们（例如当外部测量时）。而电压可以非常简单地被测量，当需要测量电流和温度时，任务可能会变得更加复杂。当这些参数要在这些关键部件（IGBT、二极管）中/上被直接测量时，任务可能会变得甚至更加复杂。
为了解决这些任务中的至少一些，根据本公开的另一方面，提供了具有反向导通（RC）电流感测发射极的绝缘栅双极晶体管（IGBT）。该部分（例如，具有反向导通电流感测发射极的IGBT）可以用于感测正向和负向的电流（例如，分别在正向和反向操作模式期间），并且此外，反向导通电流感测发射极也可以用于片上温度感测。
可以避免额外的温度感测二极管或额外的焊盘/连接。所提出的IGBT原理可能更容易生产。此外，与其他反向导通原理相比，IGBT性能可能不在正向和反向操作之间被折衷（例如，二极管操作的寿命终止导致更高的Vcesat用于IGBT操作），因为仅一些感测单元（例如，多个RC IGBT单元）可以被设计为反向导通IGBT。多个RC IGBT单元可以被连接到反向导通电流感测发射极（例如，所提出的IGBT的第二发射极电极）。当所提出的IGBT仅用于片上电流感测时，IGBT可能不需要特殊的栅极驱动模式（与RC-IGBT相比）。当额外期望（可选）温度感测特征时，可以向具有反向导通电流感测发射极的IGBT额外地提供简单的低电压信号处理和简单模式。
具有反向导通电流感测发射极的IGBT的负载单元（例如，多个FC IGBT单元）可以以沟槽技术被构造，而且还可以以微图案沟槽技术被构造。负载单元可以被连接到所提出的IGBT的第一发射极电极。IGBT负载单元可能不会在反方向上导通（例如，可以被配置为在反向操作模式期间阻断电流），并且因此反并联二极管可以被额外地提供用于续流。所提出的IGBT可以被完全优化（阻断、导通和切换），并且反并联二极管（或多个反并联二极管）还可以针对其目的（例如，针对续流）被优化。
单独连接的感测发射极单元（例如，多个RC IGBT单元）可以被构造为反向导通IGBT。例如，仅单独连接的感测发射极单元可以被构造为反向导通IGBT。因此，这些感测单元可以具有较低性能的特征，但是无论如何可以仅导通非常少量的电流用于信号处理（当前和可选的温度感测目的）。因此，在这些感测单元中的较低性能可能不被认为是系统性能的缺点。
在续流阶段（例如，在反向操作模式期间），反并联二极管可以导通，并且IGBT负载单元（例如，多个FC IGBT单元）可能不导通。但是，根据反向导通电流感测IGBT单元（例如，多个RC IGBT单元）的导通性，少量的续流电流可以在反向方向上流动，并且因此续流电流（例如，反向电流）也可以在系统中被感测到。
负载IGBT（例如，多个FC IGBT单元）在续流阶段中（例如，在反向操作模式期间）不导通，并且因此来自负载IGBT的电荷载流子可能不会干扰感测单元操作。由于IGBT（例如，多个FC IGBT单元）和RC感测IGBT（例如，多个RC IGBT单元）的这种组合，还可以将感测发射极单元（例如，多个RC IGBT单元）连接到不同的电压电位，并且例如连接电流源以测量（例如，得出）IGBT的温度。对于所提出的IGBT，制造过程可能比其他IGBT器件容易，因为感测和负载单元的构造可以是类似的，并且可以避免针对二极管（例如，温度感测二极管）的专用过程。利用用于温度测量的感测发射极可以是可选特征（例如，对于可能需要最小精力用于栅极驱动器、信号处理等的低成本系统）。
与一个或多个前面详述的示例和附图一起提及和描述的方面和特征还可以与一个或多个其他示例组合，以便替换另一示例的相似特征，或以便额外将所述特征引入到所述另一示例。
各示例可以进一步是或涉及具有程序代码的计算机程序，程序代码用于在计算机程序在计算机或处理器上执行时执行上述方法中的一个或多个。各种上述方法的步骤、操作或过程可以由编程的计算机或处理器执行。示例还可以涵盖诸如数字数据存储介质之类的程序存储器件，其是机器、处理器或计算机可读的并且编码机器可执行、处理器可执行或计算机可执行指令程序。指令执行或引起执行上述方法的一些或全部动作。程序存储器件可以包括或者可以是例如数字存储器、诸如磁盘和磁带之类的磁存储介质、硬盘驱动器或可选地，可读数字数据存储介质。其他示例还可以涵盖被编程为执行上述方法的动作的计算机、处理器或控制单元或被编程为执行上述方法的动作的（现场）可编程逻辑阵列（（F）PLA）或（现场）可编程门阵列（（F）PGA）。
说明书和附图仅仅说明本公开的原理。此外，本文所述的所有示例主要旨在明确地仅用于教学目的，以帮助读者理解本公开的原理和由（一个或多个）发明人对促进本领域而贡献的原理。本文中记载本公开的原理、方面和示例以及其具体示例的所有表述旨在涵盖其等同物。
例如，框图可以图示实现本公开原理的高级电路图。类似地，流程图、流程图表、状态转换图、伪代码等可以表示各种过程、操作或步骤，该各种过程、操作或步骤可以例如基本上在计算机可读介质中表示，并且因此由计算机或处理器执行，不论这种计算机或处理器是否被明确示出。在说明书中或权利要求中公开的方法可以由具有用于执行这些方法的各个动作中每一个的装置的器件来实现。
应当理解，除非明确或隐含地另有说明，例如由于技术原因，说明书或权利要求中公开的多个动作、过程、操作、步骤或功能的公开不可以被解释为在具体次序内。因此，多个动作或功能的公开将不会将这些限制为具体次序，除非这些动作或功能由于技术原因是不可互换的。此外，在一些示例中，单个动作、功能、过程、操作或步骤分别可以包括或可以分解为多个子动作、子功能、子过程、子操作或子步骤。除非被明确排除，否则这些子动作可能被包括，并且是该单个动作的公开的一部分。
此外，以下权利要求由此被并入具体实施方式中，其中每个权利要求可以独立地作为单独的示例。虽然每个权利要求可以独立地作为单独的示例，但是应当注意，虽然从属权利要求可以在权利要求中涉及与一个或多个其他权利要求的具体组合-其他示例还可以包括从属权利要求与每个其他从属或独立权利要求的主题的组合。这些组合在本文中明确提出，除非指出特定的组合是不期望的。此外，即使该权利要求不直接从属于独立权利要求，旨在还将权利要求的特征包括到任何其他独立权利要求中。

Claims (17)

1.一种半导体器件（100、200-C、400），包括：
多个（110）正向导通绝缘栅双极晶体管单元，其中，所述多个（110）正向导通绝缘栅双极晶体管单元被配置为在所述半导体器件（100、200-C、400）的正向操作模式中导通电流，并且在所述半导体器件（100、200-C、400）的反向操作模式中阻断电流；
多个（120）反向导通绝缘栅双极晶体管单元，其中，所述多个（120）反向导通绝缘栅双极晶体管单元被配置为在正向操作模式和反向操作模式中都导通电流；以及
第一发射极电极（104-1）和第二发射极电极（104-2），其中，所述第一发射极电极（104-1）电连接到所述多个（110）正向导通绝缘栅双极晶体管单元中的至少一个，其中，所述第二发射极电极（104-2）电连接到所述多个（120）反向导通绝缘栅双极晶体管单元中的至少一个；
其中第一发射极电极被连接到负载源，并且第二发射极电极被连接到电流感测源。
2.根据权利要求1所述的半导体器件（100、200-C、400），其中，所述半导体器件（100、200-C、400）的正向导通绝缘栅双极晶体管单元的总数至少是所述半导体器件（100、200-C、400）的反向导通绝缘栅双极晶体管单元的总数的两倍。
3.根据权利要求1或2所述的半导体器件（100、200-C、400），其中，在所述正向操作模式期间，所述多个（120）反向导通绝缘栅双极晶体管单元被配置为导通通过半导体器件（100、200-C、400）的总电流的至多30%。
4.根据前述权利要求1-2之一所述的半导体器件（100、200-C、400），其中，在所述反向操作模式期间，所述多个（120）反向导通绝缘栅双极晶体管单元被配置为导通通过半导体器件（100、200-C、400）的总电流的至多30%。
5.根据前述权利要求1-2之一所述的半导体器件（100、200-C、400），其中，所述多个（110）正向导通绝缘栅双极晶体管单元和所述多个（120）反向导通绝缘栅双极晶体管单元被布置在所述半导体器件的公共半导体衬底（102）中。
6.根据权利要求5所述的半导体器件（100、200-C、400），其中，所述多个（110）正向导通绝缘栅双极晶体管单元横向包围所述多个（120）反向导通绝缘栅双极晶体管单元。
7.根据权利要求5所述的半导体器件（100、200-C、400），其中，所述半导体衬底（102）包括第一导电类型的集电极掺杂区域（134）和第二导电类型的漂移掺杂区域（122），
其中，所述集电极掺杂区域（134）在正向导通绝缘栅双极晶体管单元内将所述漂移掺杂区域（122）与所述半导体衬底（102）的后侧表面分离，
其中，所述漂移掺杂区域（122）在反向导通绝缘栅双极晶体管单元内竖直延伸到所述半导体衬底的后侧表面。
8.根据权利要求7所述的半导体器件（100、200-C、400），其中，沿着所述半导体衬底（102）的后侧表面从所述多个（110）正向导通绝缘栅双极晶体管单元中的任一个到所述漂移掺杂区域（122）的位于所述半导体衬底（102）的后侧表面的一部分的最小横向距离大于1μm。
9.根据权利要求7所述的半导体器件（100、200-C、400），其中，所述多个（120）反向导通绝缘栅双极晶体管单元中的至少一些彼此横向相邻布置，其中，在所述半导体衬底的后侧表面处的所述漂移掺杂区域（122）的最大宽度大于相邻布置的反向导通绝缘栅双极晶体管单元的单元间距。
10.根据前述权利要求1-2之一所述的半导体器件（100、200-C、400），进一步包括在所述多个（110）正向导通绝缘栅双极晶体管单元和所述多个（120）反向导通绝缘栅双极晶体管单元二者外部的二极管，其中，所述二极管被配置为在所述反向操作模式期间导通通过所述半导体器件（100、200-C、400）的总电流的至少70%。
11.一种用于操作半导体器件的方法（600），所述方法包括：
在第一发射极电极和第二发射极电极之间耦合（610）电阻器，所述第一发射极电极电连接到所述半导体器件的多个正向导通绝缘栅双极晶体管单元，所述第二发射极电极电连接到所述半导体器件的多个反向导通绝缘栅双极晶体管单元；
在所述半导体器件的反向操作模式期间，导通（620）所述半导体器件的反向电流的至少一部分通过所述多个反向导通绝缘栅双极晶体管单元；
在所述反向操作模式期间确定（630）跨所述电阻器的电压；
基于跨所述电阻器的电压得出（640）所述反向电流的量值。
12.根据权利要求11所述的方法（600），其中，得出（640）所述反向电流的量值包括：得出通过所述多个反向导通绝缘栅双极晶体管单元的反向电流的所述部分的量值，以及按照反向电流缩放因子缩放所述反向电流的所述部分的量值，其中，所述反向电流缩放因子基于所述多个反向导通绝缘栅双极晶体管单元的总横向面积与二极管的横向面积的比率，所述二极管在所述多个正向导通绝缘栅双极晶体管单元和所述多个反向导通绝缘栅双极晶体管单元的外部并且被耦合在所述半导体器件的所述第一发射极电极和集电极电极之间。
13.根据权利要求11或12所述的方法（600），进一步包括：在所述半导体器件的正向操作模式期间，导通所述半导体器件的正向电流通过所述多个正向导通绝缘栅双极晶体管单元和所述多个反向导通绝缘栅双极晶体管单元；
确定在所述正向操作模式期间的跨所述电阻器的第二电压；
基于跨所述电阻器的第二电压得出所述正向电流的量值。
14.根据权利要求13所述的方法（600），其中，得出所述正向电流的量值包括：得出流动通过所述电阻器的所述正向电流的一部分的量值，以及按照以正向电流缩放因子缩放所述正向电流的所述部分的量值，其中，所述正向电流缩放因子基于正向导通绝缘栅双极晶体管单元的总数与反向导通绝缘栅双极晶体管单元的总数的比率。
15.根据权利要求11至12之一所述的方法（600），进一步包括：在所述反向操作模式期间在所述第一发射极电极和所述第二发射极电极之间耦合电源，
确定在所述反向操作模式期间所述第一发射极电极和所述第二发射极之间的电压；
基于所述第一发射极电极和所述第二发射极电极之间的电压来得出所述半导体器件的温度。
16.根据权利要求15所述的方法（600），进一步包括：在所述半导体器件的正向操作模式期间将所述半导体器件的栅极电压设置为第一值，以及
当确定所述第一发射极电极和所述第二发射极电极之间的电压时，将所述栅极电压设置为第二值，其中，所述第二值小于所述第一值并且大于所述半导体器件的阈值电压。
17.根据权利要求15所述的方法（600），进一步包括：当确定所述第一发射极电极和所述第二发射极电极之间的电压时，将所述半导体器件的栅极电压降低到低于所述半导体器件的阈值电压。
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