利用一種表面耐壓層結構的絕緣柵雙極型器件的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體高壓器件及功率器件技術，特別是涉及一種表面耐壓區應用在絕緣柵控制的雙極型器件及晶閘管。
[0002]參考文獻
[0003][I] “HIGH SPEED IGBT”，U.S.Patent, US 20100219446A1 ；
[0004][2]"BOTH CARRIERS CONTROLLED THYRISTOR", PCT/CN2011/083710 ;
[0005][3]〃一種用于半導體器件的表面耐壓區〃，中國專利ZL 95108317.1,或“Surfacevoltage sustaining structure for semiconductor devices，，，US 5,726,469 ；
[0006][4] “低壓電源”，ZL 201010000034.2，U.S.8294215B2.
【背景技術】
[0007]眾所周知，普通的IGBT在關斷過程中存在嚴重的電流拖尾。已有的提高IGBT開關速度的措施主要有陽極短路的方法、減小耐壓區非平衡載流子壽命的方法以及降低發射結注入效率的方法等。但是，這些方法都是以犧牲器件導通時電導調制的效果為代價的，并不能在本質上消除關斷時的電流拖尾，而只是實現開關速度與導通壓降之間的折衷。
[0008]在參考文獻[I]“HIGH SPEED IGBT”，U.S.Patent, US 20100219446A1 中給出了一種高速IGBT，它的結構及等效電路示意圖如圖1所示。其中，G為該IGBT的柵電極，K為陰極，A為陽極，B為基極。當G上所加的電壓超過器件的閾值電壓Vth。時，該IGBT開啟。此時，若電極A與B之間的電壓不小于由P區110注入大量非平衡空穴到η區102時所需的電壓，則在η區101中會形成強烈的電導調制，使得導通壓降Vak大大降低。要關斷IGBT時，若電極A與B之間的電壓小于使P區110有大量非平衡空穴注入η區102時所需的電壓，則在關斷過程中就沒有非平衡空穴從發射結持續注入漂移區，也就消除了 IGBT在關斷過程中的電流拖尾現象。
[0009]在參考文獻[2]“BOTH CARRIERS CONTROLLED THYRISTOR”，PCT/CN2011/083710中給出了一種控制兩種載流子的晶閘管，它的結構示意圖如圖2所示。其中A是該晶閘管的陽極，K是陰極，B是基極，其工作原理已在文獻[2]中詳細描述，這里不再贅述。該器件在關斷時，如電極A與電極B之間的電壓減小，使得P區110不再向N區101繼續注入非平衡載流子，則可達到快速關斷的目的。
[0010]參考文獻[I]和[2]都給出了控制電極A與B之間的電壓的具體方法。為了方便起見，本專利中除非特別說明，否則都以IGBT器件為例。圖3示出了一種通過表面耐壓區感應出控制信號來控制電極A與B之間的電壓的方法，該圖是參考文獻[I]中圖7的重現，只是各區的符號采用了本專利的符號。其中，在陰極K和η型終止環(Stop Ring)400之間的P區168是按照文獻[3] “〈 一種用于半導體器件的表面耐壓區 >，陳星弼，中國專利 ZL 95108317.1,或“Surface voltage sustaining structure for semiconductordevices", US5, 726，469”所述的表面耐壓區。在IGBT關斷時，隨著陽極和陰極之間的電壓Vak增加，P區500上會感應出略低于襯底的中性區200的電位，可供中性區200內所設置的ρ-MIST導通。p-MIST導通后，其源漏區電位接近。從而使得P區110和η區111短接，阻止了非平衡載流子由P區110注入η區101。
[0011]上述P區500獲得感應電位的方法是由于陽極A和陰極K之間的電壓Vak變化而被動產生。實際上，在IGBT關斷的開始階段，陽極和陰極之間的電壓Vak很小，因此P區500上感應出的電位也很小；而且，在Vak很小時，P型表面耐壓區168與η型襯底區101之間的耗盡區很薄，因此這兩個區之間存在較大的微分電容，流經表面耐壓區的電流大部分被用于該電容的充放電，從而使得P區500上感應出的電壓變化幅度很小，且相比于Vtx的電壓變化有較大延遲。
【發明內容】
[0012]本發明的目的是利用絕緣柵控制的雙極型器件的柵源電壓直接或間接地通過表面耐壓區產生控制信號來控制發射結電壓。
[0013]為實現上述目的，本發明提供了一種絕緣柵控制的雙極型器件的元胞和作為結邊緣的表面耐壓區，其中，
[0014]所述的絕緣柵控制的雙極型器件的元胞有第一個η型的半導體區(101、102、111)，所述第一個η區有兩個主表面(001和002);在兩個主表面之間且緊貼第一主表面
(001)至少有一個P型的源襯底區(121、122)，此P型的源襯底區之內又至少有一個η型的電子的源區(124、125)，部分的源襯底區和部分的源區通過導體相聯，構成所述的絕緣柵控制的雙極型器件的第一個電極(K);在部分的源區和部分的源襯底區以及部分的漂移區的表面覆蓋有絕緣層(130)，在該絕緣層上覆蓋有導體，作為所述絕緣柵控制的雙極型器件的柵極(G);
[0015]在兩個主表面之間且緊貼第二主表面(002)至少有第一個P型的半導體區(110);所述的第一個P區(110)與所述的第一個η區(101、102、111)在第二主表面(002)各有導體聯結，分別成為所述絕緣柵控制的雙極型器件的第二個電極(A)與第三個電極⑶；
[0016]所有源襯底區的元胞均被一個表面耐壓區所包圍。所述表面耐壓區在兩個主表面之間且緊貼第一主表面可以是一個P型的半導體區(168)作為所述表面耐壓區的第一部分，所述表面耐壓區在兩個主表面之外且緊貼第一主表面有一個絕緣層(800)作為所述表面耐壓區的第二部分，所述絕緣層又覆蓋有一個所述表面耐壓區的第三部分。
[0017]所述表面耐壓區的第三部分是一個二極管。所述二極管在靠近源襯底區的元胞的一端有導體覆蓋，作為此二極管的陽極(J);所述表面耐壓區的第三部分的另一端至少有一個η型的半導體區(903)，其上有導體覆蓋，作為所述二極管的陰極(T);在902與903之間是一個半導體區(901)，它在表面耐壓方向的尺度比902與903在表面耐壓方向的一般要大得多。
[0018]上述二極管的陽極(J)可以與所述的絕緣柵控制的雙極型器件的柵極(G)直接通過導線相聯，也可以間接地通過第一個低壓電路(圖6中的300區內的低壓電路)與柵極(G)相聯。所述二極管的陰極(T)通過導線與第二個低壓電路(在200區內的低壓電路)的一個輸入端口相聯。所述第二個低壓電路區還有至少兩個輸出端口，兩個輸出端口各自通過導線與所述第二主表面的第二個電極(A)與第三個電極(B)相聯。
[0019]當第二個電極(A)與第一個電極(K)之間加有允許的最大反偏壓時，所述第一個η型的半導體材料會有一個耗盡區(各圖中虛線的左上部分)，但此耗盡區不達到所述第一個P區(110)，也不在表面耐壓區之外；
[0020]所述耗盡區的周圍是一個當第二個電極㈧與第一個電極(K)之間加有允許的最大反偏壓時仍不耗盡而維持中性的中性區(各圖中虛線的右側的101區)；
[0021]通過所述的絕緣柵控制的雙極型器件的柵極(G)的電位的變化，來控制第二個低壓電路區(200)的與A和B相連接兩個輸出端口的電壓，從而調節由第一個P區(110)向第一個η區(101)注入的少子注入效率。特別是使得所述的絕緣柵控制的雙極型器件在關斷過程中幾乎無少子注入，從而降低關斷所需時間。
[0022]在上述技術方案中，當陽極和陰極之間加最大反偏壓時，沿第一主表面的任一個點相對于上述不耗盡而維持中性的中性區的的電壓是隨該點離開元胞的距離而減小，直到為零。
[0023]上述技術方案中的η型半導體和P型半導體在本發明的思想下可以互換。上述技術方案中的第一主表面在后面的幾種【具體實施方式】中指的是上表面，第二主表面指的是下表面。
【附圖說明】
[0024]此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中:
[0025]圖1是參考文獻[I]所用的n -1GBT的一個元胞結構及其等效電路圖。
[0026]圖2是參考文獻[2]所用的控制兩種載流子的晶閘管的一個元胞結構。
[0027]圖3是參考文獻[I]中利用表面耐壓區來調節IGBT發射結注入效率的一種具體實施方法的結構示意圖。
[0028]圖4(a，b，c)是本發明利用做在表面耐壓區內的二極管感應出與電位與中性區接近的控制信號的一種具體實施方法的示意圖。
[0029]圖5