[发明专利]高压MOS控制功率半导体器件

说明书

本发明涉及功率半导体器件领域，以一种MOS控制的功率半导体器件为基础。

这样一种MOS控制的功率半导体器件，例如已在欧洲专利申请文献EP O 528 349 A1中叙述过。其中涉及的是一种具有高击穿电压的IGBT。

这类IGBT或者概括地讲MOS控制的功率半导体器件，在一块半导体衬底上的阳极与阴极之间，有数个不同掺杂的半导体层，并且在阴极一侧有许多并联单胞或者阴极单元。这些阴极单元具有一个绝缘的控制极，借助该控制极可以开关此器件。根据器件类型的不同，阴极单元和半导体层的设计也不同。

在阳极一侧，按照具体要求可以制成不同的结构。关于IGBT可以从A.R.Hefner等人发表在IEEE Trans.on PowerElectronics，Vol.PE-2，No.3，1987年7月杂志上的文章“IGBT性能的优化：缓冲层与降低基区寿命的关系”和T.Laska等人发表在Solid State Electronics，Vol.35，No.5，PP.681-685 1992年杂志上的文章“高可靠性2000V非穿通型IGBT”中获得示例。

如F.Bauer等人在1994年功率半导体器件与集成电路国际会议上发表的文章“BiMOS功率器件在智能无缓冲器功率调节电路中的适用性”，Proc.ISPSD，Davos 1994，P.201及其以后各页所述，这种类型的器件容易产生振荡。这种振荡主要是由限制电流变化dIa/dt所必需的发射极电感与器件结构所固有的控制极—阴极电容的相互作用引起的。这种振荡大大限制了器件功率并可能危及器件寿命。

在上述F.Bauer等人的文章中，主要借助MCT对起振倾向进行了研究。然而，进一步的实验表明，当前所有已知的MOS控制的功率半导体器件都显示这种现象。

在V.A.K.Temple发表在IEEE Trans.on ElectronDevices，Vol.ED-33，No.10，1986年10月的文章“MOS-控制的晶闸管—一种新型功率器件”中或者F.Bauer发表在<功率半导体器件与电路>A.A.Jaecklin编著，Plenum Press出版社，纽约，1992年，31-36页上的文章“MOS控制的晶闸管及其限制因素”中已叙述过MCT。B.J.Baliga在Proceedings of the IEEE，Vol.76，No.4，1988年4月发表的文章“MOS-双极性功率半导体技术的进展”中叙述了IGBT或者IGT。另一种MOS控制的功率半导体器件是FiBS(Five Layer Bipolar Switch五层结构双极性开关)，该种器件K.Lilija在US专利5,289,981中和在欧洲专利申请文献EP O 487 869 A1中已叙述过，或者F.Bauer等人在德国专利公开文献DE 40 24 526 A1中叙述过的IGTH或者BRT(BRT＝Base Resistance Controlled Thyristor基极电阻控制的晶闸管)。所有上述器件都容易产生振荡。这种振荡对器件功率和寿命起限制作用。

本发明的任务是提出一种MOS控制的功率半导体器件，这种器件中不出现上述振荡趋势，且价格便宜、容易制造，此外开关损耗也很小。

这项任务依据以下所述特征，用开始时所述类型的MOS控制功率半导体器件得以解决：

高压MOS控制的功率半导体器件包括在半导体衬底内介于一个阴极和一个阳极之间几个不同的掺杂层和许多个进入阴极一侧借助MOS控制极控制的阴极单元，其特征在于，阴极单元在圆形单元时占据总器件面积的比例介于0.1％到10％之间，在条形单元时介于0.4％到40％之间。

本发明的核心是，增加阳极与阴极的耦合。这种耦合的增加，一种方法是通过在控制极与阳极之间外接一个数量级为1nF/cm²电容器来实现，另一种方法是使圆形的阴极单元占据整个器件面积的0.1％至10％或者使带状的阴极单元占据整个器件面积的0.4％至40％。在一种优先采用的实施例中这种设计是以如下方式实现的，即选择介于25μm与250μm之间的单元间距。特别是优先选用介于70μm至150μm之间的间距。

其它实施例是由不同的阴极单元的结构决定的。