控制双极半导体元件中的复合速率制造技术

本发明专利技术涉及控制双极半导体元件中的复合速率。公开了一种用于控制双极半导体元件的基极区域中的复合速率的方法以及一种双极半导体元件。

【技术实现步骤摘要】
控制双极半导体元件中的复合速率
本专利技术的实施例涉及双极半导体元件，且更特别地涉及控制双极半导体元件的基极区域中的复合速率。
技术介绍
诸如IGBT、双极晶体管、二极管或晶闸管的双极元件包括两个互补掺杂的发射极以及比发射极掺杂得更低且布置在发射极之间的至少一个基极区域。在元件的导通状态中，两个发射极发射形成电荷载流子等离子体的不同类型的电荷载流子，即p型和n型电荷载流子。基极区域中的大量电荷载流子，即高密度的电荷载流子等离子体导致元件的低导通电阻。然而，导通状态中的高等离子体密度导致元件关断时的高开关损耗。而且，导通状态中的高等离子体密度可能减小元件的鲁棒性。因此存在对诸如IGBT、双极晶体管、二极管或晶闸管的如下双极半导体元件的需求：其在其导通状态中具有低导通电阻，且在从导通状态到断开状态的转变中具有低开关损耗。
技术实现思路
本专利技术的一个实施例涉及一种用于控制双极半导体元件中的复合速率的方法，该双极半导体元件能操作为进入导通状态或断开状态，且包含其中在导通状态中存在具有p型和n型电荷载流子的电荷载流子等离子体的基极区域。该方法包括提供复合速率控制结构。该控制结构包括与基极区域毗邻的电介质层、通过电介质层与基极区域分离的控制电极、以及复合中心。该方法还包括在半导体元件进入导通状态之后且在半导体元件进入断开状态之前在控制电极和基极区域之间施加控制电压。该控制电压选择为使得在基极区域中产生电场，该电场减小复合中心的区域中n型和p型中之一的电荷载流子的浓度。另一实施例涉及一种能操作为进入导通状态或断开状态的双极半导体元件。该元件包括：基极区域，在导通状态中适配为容纳具有p型和n型电荷载流子的电荷载流子等离子体；复合速率控制结构，该控制结构包含与基极区域毗邻的电介质层、通过电介质层与基极区域分离的控制电极以及复合中心。该元件还包括用于复合速率控制结构的驱动电路，该驱动电路适配为在半导体元件进入导通状态之后且在半导体元件进入断开状态之前在控制电极和基极区域之间施加控制电压。该控制电压选择为使得在基极区域中产生电场，其中该电场减小复合中心的区域中p型和n型中之一的电荷载流子的浓度。附图说明现在将参考附图解释实施例。附图用于说明基本原理。因而，仅说明了用于理解基本原理所必需的方面。附图未必按比例绘制。贯穿附图，相似的参考字符表示相似的特征。图1说明实现为IGBT且包括复合速率控制结构的双极半导体元件的实施例；图2说明包括具有复合速率控制结构的双极半导体元件的电路布置的实施例；图3通过时序图的方式说明根据图1的元件的操作原理；图4说明根据另一实施例的具有复合速率控制结构的半导体元件；图5说明具有复合速率控制结构的横向IGBT的剖面图；图6说明横向IGBT的顶视图；图7说明根据一个实施例的具有复合速率控制结构的垂直IGBT的剖面图；图8说明具有复合速率控制结构的二极管的实施例；图9说明具有复合速率控制结构的横向二极管的实施例；图10说明具有复合速率控制结构的垂直二极管的实施例；图11说明具有复合速率控制结构的晶闸管的实施例。具体实施方式图1示意性地说明双极半导体元件的剖面图，在本实施例中该双极半导体元件实现为IGBT。该元件包括第一导电类型的第一基极区域11、第一导电类型的第一发射极区域12以及第二导电类型的第二发射极区域21。基极区域11布置在第一和第二发射极区域12、21之间且具有比发射极区域12、21更低的掺杂浓度。第一和第二发射极区域12、21的掺杂浓度例如在1015cm-3和1021cm-3之间的范围中，其中第二发射极区域21可以掺杂得比第一发射极区域12更低。第一基极区域11的掺杂浓度例如在1012cm-3和1015cm-3之间的范围中。第一基极区域11的掺杂浓度及其在元件的电流流向中的尺寸显著影响元件的电压阻断能力。在IGBT中，诸如在图1中说明的IGBT中，第一基极区域11也被称为漂移区域，第一发射极区域12也被称为源极或发射极区域，且第二发射极区域21也称为漏极或集电极区域。IGBT可以进入导通状态或断开状态。为了使得元件导通和断开，元件包括开关状态控制结构。该控制结构包括与第一发射极区域（源极区域）12和第一基极区域（漂移区域）11互补掺杂的第二基极区域22。也称为主体区域的第二基极区域22布置在第一发射极区域12和第一基极区域11之间。该开关状态控制结构还包括与主体区域22相邻布置且通过栅极电介质32与主体区域22隔离的栅电极31。栅电极31适配为控制第一发射极区域12和第一基极区域11之间的主体区域11中沿着栅极电介质32的反型沟道。当在主体区域22中存在反型沟道时，元件处于其导通状态，而当反型沟道中断时，元件处于其断开状态。至此解释的结构是可以通过在接触栅电极31的栅极端子G和接触第一发射极区域12的发射极或源极端子E之间施加适当的控制电压而切换到其导通或断开状态的常见IGBT的结构。为了更好地理解本专利技术，首先将解释IGBT的基本操作原理。出于解释目的，假设第一基极区域11和第一发射极区域12是n掺杂半导体区域，且主体区域22和第二发射极区域21是p掺杂区域。当在接触第二发射极区域21的集电极或漏极端子K与源极或发射极端子E之间施加正电压时且在栅极端子G和发射极端子E之间施加正电压时，元件处于其导通状态。在导通状态中，第一发射极区域12发射n型电荷载流子通过主体区域22中的反型沟道进入第一基极区域11，且第二发射极区域21发射p型电荷载流子进入第一基极区域11。这些n型和p型电荷载流子在第一基极区域11中形成电荷载流子等离子体。该电荷载流子等离子体导致元件的低导通电阻。然而，当元件关断时，即，当主体区域22中的反型沟道通过适当驱动栅电极31而中断时，该电荷载流子等离子体需要从第一基极区域11去除以使得元件阻断。因为去除电荷载流子等离子体花费一些时间，所以在中断反型沟道的时间和完全关断元件的时间之间存在时间延迟。其中元件逐渐关断的该延迟时间以及在该延迟时间期间流动的电流导致开关损耗。为了减小该延迟时间且为了减小开关损耗，双极半导体元件还包括复合速率控制结构40。复合速率控制结构40包括与第一基极区域11相邻布置的控制电极41以及布置在控制电极41和第一基极11之间的电介质层42。复合速率控制结构40还包括复合中心43、44。复合中心43、44布置在电介质层42和第一基极区域11之间的界面处。备选地或另外地，复合中心44远离电介质层42布置在第一基极区域11中。复合中心例如是其中实现第一基极区域11的半导体晶体中的晶体缺陷或者存在于半导体晶体中的诸如金（Au）或铂（Pt）原子的重金属原子。例如，通过向半导体晶体注入诸如氦离子、质子、半导体原子、类硅原子或氩原子的原子或离子，可以在半导体晶体中产生晶体缺陷。而且，在第一基极区域的半导体晶体和电介质层之间的界面区域中不可避免地存在的悬空键可以用作复合中心。电介质层例如是诸如二氧化硅（SiO2）层的氧化层、诸如氮化硅（Si3N4）的氮化层、或氮氧层，或者是包括这些材料中的至少两种的层的层堆。氮氧层是包括硅、氧和氮的化合物，且具有分子式SixOyNz。电介质层42和第一基极区域11之间的界面区域中的复合中心的浓度可以通过适当选择在基极区域11上生本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．　一种用于控制双极半导体元件中的复合速率的方法，该双极半导体元件能操作为进入导通状态和断开状态且包含其中在导通状态中存在具有ｐ型和ｎ型电荷载流子的电荷载流子等离子体的基极区域，该方法包含：提供复合速率控制结构，该控制结构包含与基极区域毗邻的电介质层、通过该电介质层与基极区域分离的控制电极、以及复合中心；以及在该半导体元件进入导通状态之后且在该半导体元件进入断开状态之前，在控制电极和基极区域之间施加控制电压，该控制电压选择为使得在基极区域中产生电场，该电场减小复合中心的区域中的一种类型的电荷载流子浓度。

【技术特征摘要】
2010.03.05 US 12/7183811.一种用于控制双极半导体元件中的复合速率的方法，该双极半导体元件能操作为进入导通状态和断开状态且包含其中在导通状态中存在具有p型和n型电荷载流子的电荷载流子等离子体的基极区域，该方法包含：提供复合速率控制结构，该控制结构包含与基极区域毗邻的电介质层、通过该电介质层与基极区域分离的控制电极、以及复合中心；以及在该半导体元件进入导通状态之后且在该半导体元件进入断开状态之前，在控制电极和基极区域之间施加控制电压，该控制电压选择为使得在基极区域中产生电场，该电场减小复合中心的区域中的一种类型的电荷载流子浓度，其中该半导体元件还包含互补掺杂的第一和第二发射极，该基极区域布置在第一和第二发射极之间。2.根据权利要求1所述的方法，其中该复合中心存在于该电介质层和该基极区域之间的界面区域中。3.根据权利要求1所述的方法，其中该复合中心远离电介质层存在于基极区域中。4.根据权利要求1所述的方法，其中该复合中心包含半导体晶体的悬空键、Pb或Pb0中心、晶格缺陷或重金属原子中的至少一个。5.根据权利要求1所述的方法，其中该控制电极还包含：由半导体材料制成且互补掺杂的第一和第二控制电极区域；以及接触该第二控制电极区域的控制端子。6.根据权利要求5所述的方法，其中该控制电极还包含：连接在该第二发射极区域和该第一控制电极区域之间的整流器组件。7.根据权利要求5所述的方法，其中该第一控制电极区域的掺杂浓度选择为使得该第一控制电极区域能够完全耗尽电荷载流子。8.根据权利要求5所述的方法，其中该第一控制电极区域的掺杂浓度基本对应于该基极区域的掺杂浓度。9.根据权利要求1所述的方法，其中该复合速率控制结构的电介质层包含氧化层、氮化层、氮氧层中的至少一个。10.根据权利要求1所述的方法，其中在该电介质层中存在固定电荷。11.根据权利要求1所述的方法，其中该半导体元件是IGBT，该IGBT还包含：开关控制结构，包含：布置在基极区域和第一发射极区域之间的第二基极区域、与该第二基极区域相邻布置且通过栅极电介质与该第二基极区域绝缘的栅电极。12.根据权利要求1所述的方法，其中该半导体元件是二极管。13.根据权利要求1所述的方法，其中该半导体元件是晶闸管，该晶闸管还包含：开关控制结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：F希尔勒，A莫德，FD普菲尔施，HJ舒尔茨，
申请(专利权)人：F希尔勒，A莫德，FD普菲尔施，HJ舒尔茨，
类型：发明
国别省市：AT