[发明专利]双向晶闸管器件

说明书

提供了一种双向晶闸管装置(100)，其中，半导体晶片按照从第一主侧(102)到第二主侧(104)的顺序包括第一导电类型的第一半导体层(106)、第二导电类型的第二半导体层(108)、第一导电类型的第三半导体层(110)、第二导电类型的第四半导体层(112)以及第一导电类型的第五半导体层(114)。第一主电极(115)形成在第一主侧上(102)并且第二主电极(116)形成在第二主侧(104)上。第一发射极短路部(128)穿透第一半导体层(106)，以将第一主电极(115)与第二半导体层(108)电连接，并且第二发射极短路部(138)穿透第五半导体层(114)，以将第二主电极(116)与第四半导体层(112)电连接。在平行于第一主侧(102)的平面上的正交投影中，由第一半导体层(106)和第一发射极短路部(128)占据的第一区与由第五半导体层(114)和第二发射极短路(138)占据的第二区在重叠区中重叠，其中，第一发射极短路部(128)和第二发射极短路部(138)位于重叠区内。

技术领域

本发明涉及一种在单个半导体晶片中实施的双向晶闸管器件。

背景技术

晶闸管，有时也称为可控硅整流器(SCR)，是一种开关半导体器件，它可通过对栅极端子提供正的栅极触发电流脉冲而沿正向方向(即，在正向偏置时)接通。然后晶闸管称为处于正向传导状态或导通状态，其中，电流可以沿正向方向从阳极流向阴极。另一方面，晶闸管也可以处于正向阻断状态(也称为断开状态)，这表示可以阻断流过阳极的高电流，并且晶闸管承受正向方向上的较高的正电压。在与正向方向相反的反向方向上，晶闸管不能接通。晶闸管可以是反向阻断，这表示它可以在没有显著的电流流动的情况下，在反向方向上保持与正向阻断状态至少大致相同的电压，或者可以是不对称的，这表示它在反向方向上几乎没有阻断能力。由于相控应用通常需要反向阻断能力，因此相控晶闸管(PCT)(适用于50/60Hz频率)通常为反向阻断。

已知的晶闸管包括发射极短路部，用于在导通晶闸管时控制等离子体在横向方向上的扩散并降低内部NPN晶体管的放大系数，从而在正向阻断电压快速上升(即，当施加具有高dV/dt的阳极正向电压时，不在零栅极电流下触发)期间减小漏电流并增加dV/dt能力。根据WO 2011/161097A2，晶闸管的发射极短路部图案应尽可能统一且均匀，理想情况下，在整个阴极区域及其所有子区域，特别是在靠近栅极结构的阴极区域中具有恒定的短路部的密度，以实现高的横向等离子体扩散速度以及高的最大电流变化di/dt。

在许多应用(例如，矩阵变换器)中，直流(DC)断路器和静态VAR补偿器(SVC)双向功率器件功能性都需要阻断电压并在两个方向上传导电流。为了双向功率半导体器件功能性，现在通常以反向并联配置使用两个反向阻断(RB)晶闸管，或者以背对背配置使用两个反向传导(RC)晶闸管。由于两个晶闸管的损耗以串联方式叠加在一起，因此具有背对背配置的两个RC晶闸管的配置具有高损耗的缺点。

从US 3 476 993 A，存在一种已知的具有以反向并联配置的两个晶闸管结构的五层开关型器件。然而，两个晶闸管结构使用半导体晶片的不同区，使得在该已知的五层开关型器件中不能有效地利用半导体晶片的区。

从US 2004/0183092 A1，存在一种已知的在晶闸管结构的低掺杂中间半导体层内部具有三个单独的寿命控制区域的晶闸管结构。

在EP 0 880 182 B1中所公开的双向可控晶闸管(BCT)中，两个反向并联的晶闸管集成到单个晶片上，并组装到一个壳体中。通过将两个晶闸管半部集成在一个单独的封装中，BCT使得设备的设计更为紧凑，简化了用于大功率应用的冷却系统，并提高了系统可靠性。然而，在BCT中，每个电流方向或极性只能使用不到一半的晶片区。BCT中的两个晶闸管半部的集成的主要挑战是避免两个晶闸管半部之间的串扰，这两个晶闸管半部通过半导体晶片中的分隔区域彼此分隔。BCT器件工作中的另一个问题是热管理，因为热量生成不均匀地分布在整个晶片区。

发明内容