[发明专利]功率半导体器件

说明书

技术领域

本发明涉及功率半导体器件的领域。它涉及根据权利要求1的前序部分的四层功率半导体器件和根据权利要求13的前序部分的制造这种半导体器件的方法。

背景技术

文献EP0588026A2和H.G.Kuhn，Munich在2002年发表的题目为“Physikalische Modellbildung von IGCTs für die Schaltungssimulation”的论文第三章说明了栅极关断晶闸管(gate turn-off thyristor)(GTO)和集成栅极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristor)(IGCT)。这些晶闸管包含四层pnpn结构，该结构包括在其上配置阴极金属化(cathode metallization)的(n+)掺杂的阴极层、与该阴极层相邻并接触栅电极的p掺杂的基极层、随后的(n-)掺杂的基极层和(p+)掺杂的阳极层。阳极层被阳极金属化覆盖。当这种GTO或IGCT被截止时，空穴在(p-)基极层内有效地横向收集到栅极。到达(n+)阴极区域的空穴可重新触发晶闸管，从而防止半导体截止。由此，最大关断电流减小。

GTO一般被用于缓冲操作中。缓冲器限制电压上升。在该操作模式中，可到达阴极并重新触发器件的所有空穴来自存储的电荷。该分布很大程度上由关断之前的导通状态所确定。

在大多数的IGCT应用中，通常是无缓冲器操作，并且电压上升通常仅受关断器件本身限制。由此，在关断过程中场分布变得足够陡以产生新的载流子对。该模式被称为动态雪崩。如果IGCT被驱动进入该模式，那么在关断时产生的空穴也可到达阴极，从而重新触发器件并由此限制最大关断电流。

根据现有技术的功率半导体器件还包括以上结构但同时具有被调制的导电性的第一基极层的半导体器件。例如在美国专利4170502中说明了这种器件。在该实施例中，导通状态利用较低的第一基极层掺杂浓度，而所述层的朝向栅极的较低横向电阻促进关断。有助于改善这种类型的GTO晶闸管的是所述第一基极层的最大浓度，其在邻近阴极发射极处较低而在朝向栅极接点处较高。

发明内容

本发明的目的在于提供具有增加的最大关断电流的、在开始所提到类型的四层功率半导体器件，该器件可通过避免棘手制造步骤的容易的制造方法来制造，并提供制造这种半导体器件的方法。

通过具有权利要求1的特征的半导体器件和根据权利要求13的制造这种半导体器件的方法解决上述问题。

本文所述的主阻挡结(main blocking junction)的新调制影响在高关断电流时的场分布，使得在动态雪崩中产生的空穴距离阴极足够远，并距离栅极足够近，以不重新触发器件。

根据现有技术的功率半导体器件包括半导体衬底和在阴极侧上形成的阴极金属化和在与阴极侧相反的阳极侧上形成的阳极金属化。这种半导体器件的半导体衬底包括具有不同导电类型的层的四层结构，该结构限定可通过栅电极关断的栅极换流晶闸管的内部结构。所述结构包含：

-接触阴极金属化的第一导电类型的外阴极区域；

-在与阴极金属化相反的一侧上接触阴极区域的第二导电类型的第一基极层；

-在与外阴极区域相反的一侧上接触第一基极层的第一导电类型的第二基极层；和

-接触阳极金属化的第二导电类型的外阳极层。

栅电极布置在阴极侧并与第一基极层接触。

除了根据现有技术的半导体器件的上述特征之外，本发明的功率半导体器件还包括具有阴极基极区域和至少一个栅极基极区域的第一基极层。阴极基极区域在与阴极金属化相反的一侧与阴极区域相邻布置并接触至少该阴极区域的中心区域。所述至少一个栅极基极区域与第二基极层相邻布置并邻接阴极基极区域。所述至少一个栅极基极区域在至少一个第一深度中具有与阴极基极区域相同的标称掺杂浓度，第一深度为距阴极区域的与阴极金属化相反的一侧的垂直距离。所述至少一个栅极基极区域与栅电极电接触，并具有以下特征中的至少一种：

-在至少一个第二深度处具有比阴极基极区域更高的掺杂浓度，该第二深度大于所述第一深度，或者

-具有比阴极基极区域大的深度。

所述至少一个栅极基极区域的这些特定特征使得它们强烈调制在正向阻挡状态下器件中的电场分布，并导致接近阴极基极区域和栅极基极区域之间的界面的场极大(field maxima)。