[发明专利]用于宽带隙装置的雪崩保护

说明书

相关申请交叉参考案

此申请案主张2006年7月26日提出申请的序列号为60/833,362的美国临时专利 申请案的优先权，所述申请案以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及半导体装置，且更具体来说，涉及一种用于在抑制电压瞬变期间保护 宽带隙装置免于失效的方法及装置。

背景技术

多年以来，宽带隙(“WBG”)半导体一直作为能够驱动连续装置性能提高的 材料出现。这些材料通常被界定为展现大于2eV的电子带隙。人们已研究碳化硅(SiC) 几十年，但最近的发展才坚定地确立光学、射频(RF)及电源组件中的SiC商业产 品。借助极高热及化学稳定性，及电性能，WBG装置用于高频率、高温度及高功率 应用。WBG半导体的实例为氮化镓(GaN，E_G＝3.4eV)、氮化铝(AlN，E_G＝6.2eV)、 碳化硅(SiC，取决于多型体，E_G在2.2到3.25eV之间)及金刚石(Eg＝5.45eV)。

与硅半导体装置相比，宽带隙装置提供明显性能优点。碳化硅肖特基(Schottky) 二极管由于其快速切换速度(低trr)、低存储电荷(Qrr)及低正向传导损失而得到 广泛使用。然而，由于开始衬底质量所致，宽带隙装置(例如，碳化硅)具有较差且 不规律的雪崩耐量。雪崩击穿是一种形式的电流倍增，其可允许极大的电流在否则是 良好绝缘体的材料内流动。当横跨绝缘材料施加的电压大的足够使自由电子加速到当 其撞击材料中的原子时，其可碰撞出其它自由电子的点时，雪崩击穿可发生在固体、 液体或气体中。此现象在半导体二极管(例如，雪崩二极管及雪崩光电二极管)中可 是相当有用的，但在其它情形下，例如在MOSFET晶体管中，雪崩击穿可损坏所述 装置。当雪崩击穿发生在固体绝缘材料内时，其几乎总是损坏性的。然而，需要改善 宽带隙雪崩耐量。

常见的雪崩二极管应用是保护电子电路免于破坏性的高电压。将所述雪崩二极管 连接到电路以使得其被施加反向偏压。换句话说，其阴极相对于其阳极为正。在此配 置中，所述二极管不导电且不干涉所述电路。如果电压增加超过设计限制，那么所述 二极管经受雪崩击穿，从而限制有害电压。当以此方式使用时，其经常被称作箝位二 极管，这是因为其将所述电压“箝位”在预定最大电平。通常依照雪崩二极管的箝位 电压及由能量(以焦耳计)或I²t所规定的雪崩二极管可吸收的最大瞬变大小来规 定雪崩二极管用于此角色。雪崩击穿不是损坏性的，只要不允许二极管过热。

使简单的齐纳二极管与宽带隙装置并联可导致宽带隙装置中少数载流子的注入， 因此降级所述宽带隙装置的切换性能。如在颁发给戴维斯(Davis)等人(“Davis”) 的第6,144,093号及颁发给费希尔(Fisher)等人(“Fisher”)的第5,544,038号美国 专利中所论述，当MOSFET或其它MOS门控半导体装置用于其中装置的栅极重复导 通及关断的切换应用中时，瞬变电流可在装置被关断时流过装置的体二极管，从而增 加装置的关断时间。一个解决方案是放置与体二极管并联并沿体二极管方向定向的消 特基二极管以提供供瞬变电流流动的更快路径。通常，肖特基二极管具有约0.4V的 正向电压降，而体二极管通常具有0.7V的正向电压降。肖特基二极管因此防止体二 极管导电，因为肖特基二极管通常具有比体二极管低的正向电压降。然而，不同于本 发明的一个实施例，戴维斯需要至少两个线接合接头及第三个接头，而费希尔需要晶 体管。

需要防止箝位装置中少数载流子的注入(此导致降级切换速度优点)的对宽带隙 装置的箝位保护。

此外，需要易于以单片电路形式实施且为良好宽带隙装置终端边缘击穿电压 (“BV”)提供均匀场分布的箝位保护。

此外，还需要具有正向及反向结的抵消温度系数以提供最小BV温度系数的箝位 保护。

更进一步，还需要允许雪崩耐量被独立缩放的箝位保护。

发明内容

本发明在其一种形式中包括通过横跨宽带隙装置的阻挡结放置多个二极管系列 而形成的具有改善雪崩耐量的宽带隙装置。

更特定来说，本发明包含横跨宽带隙二极管的终端的一部分或全部周边的背对背 多晶硅二极管的单片电路组合。

在另一形式中，本发明包含与宽带隙装置并联安置的硅垂直PNP晶体管。