本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序的反向?qū)üβ拾雽?dǎo)體器件。

背景技術(shù)：

已知的功率半導(dǎo)體器件是集成柵極換流晶閘管(IGCT)，其包括在單個(gè)晶片內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)柵極換流晶閘管(GCT)單元。每個(gè)GCT單元由采用陰極金屬化層形式的陰極電極、n⁺摻雜的陰極層、p摻雜的基層、n^-摻雜的漂移層、n摻雜的緩沖層、p⁺摻雜的陽(yáng)極層以及采用陽(yáng)極金屬化層形式的陽(yáng)極電極組成。GCT單元還包括與摻雜的基層接觸的采用柵極金屬化層形式的柵電極。為了使柵極金屬化層與陰極電極分開(kāi)，將柵極金屬化層布置在布置有陰極電極的平面之下的平面內(nèi)。IGCT在晶片的中心處、在晶片的周邊處或者在其之間的某處包括采用環(huán)形金屬區(qū)域形式的至少一個(gè)柵極接觸。柵極接觸區(qū)域與柵極金屬化層直接接觸從而使得柵極接觸區(qū)域與所有GCT單元的柵電極相互電連接和熱連接。

另一已知的功率半導(dǎo)體器件是反向?qū)蓳Q流晶閘管(RC-IGCT)，其包括在一個(gè)單獨(dú)晶片內(nèi)的IGCT部分和單個(gè)內(nèi)建續(xù)流二極管部分。續(xù)流二極管部分由一個(gè)單獨(dú)二極管組成，該單獨(dú)二極管包括被n^-摻雜的漂移層和n摻雜的緩沖層隔開(kāi)的p摻雜陽(yáng)極層和n⁺摻雜陰極層。該二極管被布置為以這樣的方式與IGCT部分鄰接以在晶片的最內(nèi)側(cè)或者最外側(cè)區(qū)域內(nèi)。在IGCT部分與續(xù)流二極管部分之間存在有n^-摻雜的隔離區(qū)域，其將在IGCT部分中的GCT單元的p摻雜基層與二極管的p摻雜陽(yáng)極層分開(kāi)。

在圖1和圖2中示出了已知為雙模柵極換流晶閘管(BGCT)的功率半導(dǎo)體器件。圖1示出了該器件的頂視圖并且圖2示出了該器件沿著圖1中的線c’-c而獲得的橫截面。BGCT與RC-IGCT相似并且在單個(gè)晶片1中包括多個(gè)相互電并聯(lián)的柵極換流晶閘管(GCT)單元2。在BGCT中的GCT單元2與在RC-IGCT中構(gòu)建的GCT單元相同。在圖1和圖2所示的BGCT中，每個(gè)GCT單元2均由采用陰極金屬化層形式的三個(gè)陰極電極3、包括三個(gè)條形陰極部分4的n⁺摻雜的陰極層、p摻雜的基層5、n^-摻雜的漂移層6、n摻雜的緩沖層7、p⁺摻雜的陽(yáng)極層8以及采用陽(yáng)極金屬化層形式的陽(yáng)極電極9組成。如同在IGCT中，GCT單元2還包括與摻雜基層5接觸的采用柵極金屬化層形式的柵電極10。將柵極金屬化層安排在安排有陰極電極3的平面之下的平面內(nèi)，從而使得柵極金屬化層與陰極電極3分開(kāi)。BGCT在晶片1的中心包括采用環(huán)形金屬區(qū)域形式的一個(gè)單獨(dú)柵極接觸11。柵極接觸11與柵極金屬化層直接接觸從而柵極接觸11與所有GCT單元2的柵電極10相互電連接和熱連接。

不同于RC-IGCT，BGCT不僅包括具有單獨(dú)二極管的單獨(dú)續(xù)流二極管部分而且包括布置在GCT單元2之間的多個(gè)二極管單元12。二極管單元相互電并聯(lián)并且電連接至GCT單元2，雖然具有相反的正向。每個(gè)二極管單元包括陽(yáng)極電極17、p摻雜的陽(yáng)極層13和n⁺摻雜的陰極層14以及陰極電極16，其中p摻雜的陽(yáng)極層13和n⁺摻雜的陰極層14被n^-摻雜的漂移層6和n摻雜的緩沖層7分開(kāi)。相鄰的GCT單元2和二極管單元12被多個(gè)隔離區(qū)域15分開(kāi)。

圖3示出了在圖2中所示的BGCT的變形的橫截面，在其中在GCT單元22中處于二極管單元12的緊臨處的陰極部分4的各處被柵電極20包圍。這種情況下，隔離區(qū)域15與臨近的陰極部分4橫向分隔開(kāi)比在圖2所示的實(shí)施例中更大的距離，因?yàn)橐蟾鼘挼幕鶎右跃哂杏糜跂烹姌O20的部分的足夠空間，其中柵電極20的部分各自布置在隔離區(qū)域15與相鄰陰極部分4之間。具有圖2中已經(jīng)使用的附圖標(biāo)記的圖3中的元件與在圖2中所示的器件的相應(yīng)元件相同。

例如，BGCT在WO2012/041958A2中并且在由U.Vemulapati等人在Power Semiconductor Devices and ICs(ISPSD)中，2012年，第29至32頁(yè)的文章“The concept of Bi-mode Gate Commutated Thyristor-A new type of reverse conducting IGT”中公開(kāi)。

經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)RC-IGCT設(shè)計(jì)在相同晶片中該BGCT設(shè)計(jì)中的分布式二極管和IGCT單元的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是更好的熱阻，因?yàn)橛捎诜植际蕉O管單元12和IGCT單元2，熱量在晶片1中分布地更加均勻。例如當(dāng)BGCT在IGCT模式工作時(shí)，熱量能夠容易地從GCT單元2擴(kuò)散進(jìn)入二極管單元12。在標(biāo)準(zhǔn)RC-IGCT中，改為溫度以更小的效率擴(kuò)散進(jìn)入到二極管區(qū)域，因?yàn)樗性谝粋€(gè)連續(xù)區(qū)域中。當(dāng)器件在二極管模式下操作時(shí)，觀察到相同現(xiàn)象。

最大可控電流(MCC)和導(dǎo)通狀態(tài)電壓是以上所述的器件中的重要參數(shù)。期望實(shí)現(xiàn)最大可允許MCC和最小可允許導(dǎo)通狀態(tài)電壓以最小化器件中的損耗。此外，為了避免局部過(guò)熱，均一的導(dǎo)通和關(guān)斷是最關(guān)鍵的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供反向?qū)üβ拾雽?dǎo)體器件，與已知BGCT相比，其具有關(guān)于導(dǎo)通和關(guān)斷的均一性、最大可控電流以及導(dǎo)通狀態(tài)電壓的改善電性能。

通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1的反向?qū)üβ拾雽?dǎo)體器件達(dá)到該目的。

利用本發(fā)明的反向?qū)üβ拾雽?dǎo)體器件，與以上所述的BGCT設(shè)計(jì)相比，每單位面積的最大可控電流(MCC)能夠得以增大并且導(dǎo)通狀態(tài)電壓以及因此還使得導(dǎo)電損耗能夠得以降低。通過(guò)在相鄰二極管單元的緊鄰處分布的外部陰極層區(qū)域的特定設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了MCC的改善。該導(dǎo)通狀態(tài)電壓降(導(dǎo)電損耗)的降低來(lái)自于改善的等離子體分布。在關(guān)斷期間能夠?qū)崿F(xiàn)來(lái)自于柵電極的更均勻等離子體提取。這增大了用于動(dòng)態(tài)雪崩誘導(dǎo)再觸發(fā)的電流限制，而同時(shí)該器件的硬驅(qū)動(dòng)限制比此更高。此外在反向?qū)üβ拾雽?dǎo)體中，二極管部分有助于來(lái)自于GCT單元的基層的等離子體抽取，其還提高了電流可控性。

本發(fā)明的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)在從屬權(quán)利要求中指定。

在示范性實(shí)施例中，在混合部分中的每個(gè)柵極換流晶閘管單元中，兩個(gè)外部陰極層區(qū)域的每個(gè)的寬度是在那個(gè)柵極換流晶閘管單元中的這兩個(gè)外部陰極層區(qū)域之間的任何中間陰極層區(qū)域的寬度的20％至75％。在20％至75％的范圍內(nèi)，MCC在寬溫度范圍中更高。利用高于20％的最低限的寬度，能夠?qū)崿F(xiàn)低的導(dǎo)通狀態(tài)電壓。

在另一示范性實(shí)施例中，在混合部分中的每個(gè)柵極換流晶閘管單元中，兩個(gè)外部陰極層區(qū)域的每個(gè)的寬度是在那個(gè)柵極換流晶閘管單元中的這兩個(gè)外部陰極層區(qū)域之間的任何中間陰極層區(qū)域的寬度的20％至75％。在此實(shí)施例中，能夠?qū)⒏叩腗CC與低的導(dǎo)通狀態(tài)電壓相結(jié)合。

在示范性實(shí)施例中，混合部分包括多個(gè)柵極換流晶閘管單元。

在示范性實(shí)施例中，在混合部分中二極管單元的數(shù)量相對(duì)于第一陰極層區(qū)域的數(shù)量的比值在從1∶3至1∶5的范圍內(nèi)，示范性地為1∶3或者1∶4。

在示范性實(shí)施例中，每個(gè)第二陽(yáng)極層與相鄰柵極換流晶閘管單元的基層之間的最小距離在20μm與150μm之間的范圍內(nèi)，示范性地在50μm與100μm之間的范圍內(nèi)。在此實(shí)施例中，在每個(gè)第二陽(yáng)極層與相鄰基層之間的隔離區(qū)域足夠?qū)掗熞詾轵?qū)動(dòng)所述GCT所需要的柵極電壓提供足夠的阻斷能力，即在GCT關(guān)斷期間確保柵極至陰極的阻斷能力，而用于最大總面積利用率，以及用于最大等離子體的范圍從GCT區(qū)域延伸到GCT操作模式中的二極管區(qū)域，并且反之亦然。

在示范性實(shí)施例中，在平行于第一主側(cè)面的平面之上的正交投影中，第二陽(yáng)極層的每一個(gè)為具有沿著其縱軸的方向上的長(zhǎng)度以及垂直于其縱軸的方向上的寬度的條形，每個(gè)第二陽(yáng)極層的寬度小于其長(zhǎng)度。利用這些特征，晶片區(qū)域能夠得到最有效的利用。示范性地，晶片在平行于第一主側(cè)面的平面之上的正交投影中具有圓形形狀，其定義晶片的中心以及從該晶片的中心延伸的多個(gè)徑向，并且第一陰極層區(qū)域和第二陽(yáng)極層被布置為各自具有沿著徑向的一個(gè)所對(duì)準(zhǔn)的它們的縱軸。示范性地，條形陰極層區(qū)域和第二陽(yáng)極層設(shè)置在晶片的中心周?chē)囊粋€(gè)或多個(gè)同心環(huán)中。其中，示范性地，在每個(gè)環(huán)中，每個(gè)條形陰極層區(qū)域的長(zhǎng)度與在此環(huán)中的任何其他條形陰極層的長(zhǎng)度相同。

在示范性實(shí)施例中，本發(fā)明的反向?qū)üβ拾雽?dǎo)體器件包括用于接觸多個(gè)柵極換流晶閘管單元的柵電極的公共柵極接觸，其中公共柵極接觸布置在第一主側(cè)面上。

在示范性實(shí)施例中，在混合部分的每一個(gè)柵極換流晶閘管單元中，兩個(gè)外部陰極層區(qū)域的寬度相同并且任何中間陰極層區(qū)域的寬度相同。

在示范性實(shí)施例中，每個(gè)第一陰極層區(qū)域的寬度在25μm至500μm之間的范圍內(nèi)。

在示范性實(shí)施例中，在每個(gè)柵極換流晶閘管單元中，在平行于第一主側(cè)面的平面上的正交投影中，柵電極在此柵極換流晶閘管單元中的每對(duì)相鄰陰極層區(qū)域之間延伸，并且在垂直于那個(gè)陰極層區(qū)域的縱軸的方向上，通過(guò)與二極管單元相鄰的陰極層區(qū)域而與相鄰于那個(gè)柵極換流晶閘管單元的任何二極管單元分開(kāi)。

附圖說(shuō)明

下文將參照附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行解釋?zhuān)谄渲校?/p>

圖1示出了已知雙模柵極換流晶閘管(BGCT)的頂視圖；

圖2示出了已知BGCT沿著圖1中的線c’-c的橫截面；

圖3示出了已知BGCT的變形的沿著圖1中的線c’-c的橫截面；

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的反向?qū)üβ拾雽?dǎo)體器件的頂視圖；

圖5示出了根據(jù)實(shí)施例的反向?qū)üβ拾雽?dǎo)體器件沿著圖4中的線c’-c的橫截面。

在附圖標(biāo)記列表中概括出了在附圖中所使用的附圖標(biāo)記以及它們的含義。一般來(lái)說(shuō)，在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中相同元件具有相同的附圖標(biāo)記。所描述的實(shí)施例意在作為實(shí)例而不是限制本發(fā)明的范圍。

具體實(shí)施方式

在圖4和圖5中示出了根據(jù)本發(fā)明的反向?qū)üβ拾雽?dǎo)體器件的實(shí)施例。圖4示出了反向?qū)üβ拾雽?dǎo)體器件的頂視圖而圖5示出了其沿著圖4中的線c’-c的橫截面。

根據(jù)實(shí)施例的反向?qū)üβ拾雽?dǎo)體器件包括半導(dǎo)體晶片(wafer)31，示范性地為硅晶片，具有第一主側(cè)面41和第二主側(cè)面42，第二主側(cè)面42布置為平行于第一主側(cè)面41。它包括多個(gè)柵極換流晶閘管(GCT)單元32和多個(gè)二極管單元312。每個(gè)GCT單元32按從第一主側(cè)面41到第二主側(cè)面42順序包括：第一陰極電極33、n⁺摻雜的第一陰極層34、p摻雜的基層35、p摻雜的第一陽(yáng)極層38以及第一陽(yáng)極電極39。p摻雜的基層35通過(guò)與p摻雜的基層35形成pn結(jié)的n^-摻雜的漂移層36和與p摻雜的第一陽(yáng)極層38形成pn結(jié)的n摻雜的緩沖層37而與p摻雜的第一陽(yáng)極層38分開(kāi)。每個(gè)GCT單元32的第一陰極層34包括四個(gè)陰極層區(qū)域34a和34b，其通過(guò)基層35而相互分開(kāi)。

此外，每個(gè)GCT單元32包括柵電極310，其橫向布置至第一陰極層34，并且其通過(guò)基層35而與第一陰極層34分開(kāi)。在此專(zhuān)利的整個(gè)說(shuō)明書(shū)中，術(shù)語(yǔ)“橫向”涉及橫向方向，其為平行于第一主側(cè)面41的方向。

漂移層36可以具有示范性地在n＝5.0×10¹¹cm^-3與n＝1.0×10¹⁴cm^-3之間、更示范性地小于的5×10¹³cm^-3的凈摻雜濃度?；鶎?5以及第一陽(yáng)極層38可以具有示范性地在p＝1×10¹⁶cm^-3與p＝1×10¹⁹cm^-3之間的凈摻雜濃度，并且第一陰極層34可以具有示范性地在n＝1×10¹⁸cm^-3與n＝1×10²¹cm^-3之間的凈摻雜濃度。示范性地，所有的陰極層區(qū)域34a和34b具有相同的凈摻雜濃度。同樣地，所有的第一陽(yáng)極層38可以具有相同的凈摻雜濃度。其中緩沖層37向著第二主側(cè)面42具有增大的凈摻雜濃度，反之漂移層36典型地具有比緩沖層37低的恒定摻雜濃度。在整個(gè)此說(shuō)明書(shū)中，層的凈摻雜濃度指代的是在對(duì)此層的摻雜分布進(jìn)行描述的情況下的局部摻雜濃度。如果未描述摻雜分布，則層的凈摻雜濃度指代的是在此層中的最大凈摻雜濃度。

在本實(shí)施例中，基層35以及第一陽(yáng)極層38示范性地在垂直于晶片31的第一和第二主側(cè)面41、42的方向上具有在1μm與250μm之間、示范性地在2μm與150μm或者在10μm與150μm之間的厚度。示范性地，所有的基層35具有相同的層厚。同樣地，所有的第一陽(yáng)極層38可以具有相同的厚度。漂移層36在垂直于晶片31的第一和第二主側(cè)面41、42的方向上的厚度取決于器件的額定電壓。它示范性地對(duì)于3.3kV的器件在280μm與440μm之間或者對(duì)于4.5kV的器件在380μm與570μm之間。其中，在GCT單元32中的漂移層36的厚度是此GCT單元32的漂移層37與基層35之間的最小距離。

在平行于第一主側(cè)面41的平面之上的正交投影中，陰極層區(qū)域34a和34b的每一個(gè)為具有在沿著其縱軸的方向上的長(zhǎng)度以及垂直于該縱軸的方向上的寬度w、w’的條形，每個(gè)陰極層區(qū)域34a、34b的寬度w、w’小于其長(zhǎng)度。在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中條形意味著縱長(zhǎng)形狀，在其中在縱向方向的長(zhǎng)度比在垂直于縱向方向以及平行于晶片31的第一主側(cè)面41或第二主側(cè)面42的寬度方向上的條形區(qū)域的寬度更長(zhǎng)。在整個(gè)此說(shuō)明書(shū)中條形區(qū)域的寬度是在寬度方向上條形區(qū)域所具有的最大尺寸。

在平行于第一主側(cè)面41的平面之上的正交投影中，在每個(gè)GCT單元32中，在其相反側(cè)面上鄰接與其GCT單元32相鄰的兩個(gè)二極管單元312的兩個(gè)外部陰極層區(qū)域34b的每個(gè)的寬度w’小于在那個(gè)GCT單元32中在兩個(gè)外部陰極層區(qū)域34b之間的任何中間陰極層區(qū)域34b的寬度w。其中，鄰接相鄰二極管單元312的每個(gè)外部陰極層區(qū)域34b的寬度w’是在相同GCT單元32中的任何中間陰極層區(qū)域34a的寬度w的20％至75％，示范性地為40％至60％。每個(gè)條形陰極層區(qū)域34a和34b在垂直于其縱軸的方向上的橫向?qū)挾葁、w’示范性地在25μm與500μm之間。

在本實(shí)施例中，在每個(gè)GCT單元32中的柵電極310，在平行于第一主側(cè)面41的平面之上的正交投影中，在此GCT單元32中的每對(duì)相鄰陰極層區(qū)域34a、34b之間延伸，并且在垂直于那個(gè)外部陰極層區(qū)域34b的縱軸的方向上，通過(guò)與那個(gè)相鄰二極管單元312鄰接的外部陰極層區(qū)域34b而與相鄰于那個(gè)GCT單元32的任何二極管單元312分開(kāi)。換句話說(shuō)，柵電極310在每對(duì)陰極層區(qū)域34a、34b之間，而不在鄰接相鄰二極管單元312的外部陰極層區(qū)域34b和此相鄰二極管單元312之間延伸。

每個(gè)二極管單元312按從第一主側(cè)面41到第二主側(cè)面42順序包括：第二陽(yáng)極電極317、p摻雜的第二陽(yáng)極電極313、n⁺摻雜的第二陰極層314以及第二陰極電極316。第二陰極層314在第二主側(cè)面42上在橫向方向上與第一陽(yáng)極層38交替布置，并且通過(guò)漂移層36和緩沖層37而與第二陽(yáng)極層313分開(kāi)。漂移層36與第二陽(yáng)極層313形成pn結(jié)。在平行于第一主側(cè)面41的平面之上的正交投影中，每個(gè)第二陽(yáng)極層313為具有在沿著其縱軸的方向上的長(zhǎng)度以及垂直于該縱軸的方向上的寬度的條形，每個(gè)第二陽(yáng)極層313的寬度小于其長(zhǎng)度。

第二陽(yáng)極層313可以具有示范性地在p＝1×10¹⁶cm^-3與p＝1×10¹⁹cm^-3之間的凈摻雜濃度，并且第二陰極層314可以具有示范性地在n＝1×10¹⁸cm^-3與n＝1×10²¹cm^-3之間的凈摻雜濃度。示范性地所有的第二陰極層314具有相同的凈摻雜濃度。同樣地所有的第二陽(yáng)極層313可以具有相同的凈摻雜濃度。

每個(gè)GCT單元32的基層35分別通過(guò)由漂移層形成的n型隔離區(qū)域315而與相鄰第二陽(yáng)極層313分開(kāi)。在二極管單元312與相鄰GCT單元32之間的隔離區(qū)域315具有在20μm與150μm之間、示范性地在50μm與100μm之間的橫向?qū)挾萪(其為在第二陽(yáng)極層313與相鄰GCT單元32的基層35之間的最小距離)。該隔離區(qū)域315的寬度d必須足夠大以避免阻塞關(guān)斷所需要的柵極電壓或者在阻塞期間的穿通現(xiàn)象。另一方面，橫向?qū)挾葢?yīng)當(dāng)足夠小以允許每個(gè)GCT單元32的電子空穴等離子體，其在GCT單元32導(dǎo)通狀態(tài)期間在漂移層36中形成，得以擴(kuò)散進(jìn)入到相鄰第二二極管單元312?？梢栽诟綦x區(qū)域315上形成鈍化層(未在圖中示出)。

在本實(shí)施例中，每個(gè)柵電極310在基層35上作為柵極金屬化層的部分形成，其中，與基層35相對(duì)的第一柵極金屬化層的表面定義第一平面。與陰極層區(qū)域34a、34b相對(duì)的第一陰極電極33的表面以及與第二陽(yáng)極層313相對(duì)的第二陽(yáng)極電極317的表面定義第二平面。換句話說(shuō)，所有的第一陰極電極33和所有的第二陽(yáng)極電極317被全部布置在相同平面內(nèi)。其中，第一平面平行于第二平面并且在從第一主側(cè)面41至第二主側(cè)面42的方向上從第二平面偏移。利用金屬板、比如在標(biāo)準(zhǔn)緊壓封裝中的鉬盤(pán)，此臺(tái)面結(jié)構(gòu)有利于接觸在第一主側(cè)面41上的第一陰極電極33和第二陽(yáng)極電極317。

在本實(shí)施例中，在第一和第二主側(cè)面41、42的正交投影中，每個(gè)GCT單元32的第一陽(yáng)極層38與相同GCT單元32的基層35對(duì)準(zhǔn)以在每個(gè)GTC單元32中的這兩個(gè)層之間具有最大重疊，并且每個(gè)二極管單元312的第二陽(yáng)極層313與相同二極管單元312的第二陰極層314對(duì)準(zhǔn)以在每個(gè)二極管單元312中的這些兩個(gè)層之間具有最大重疊。

在示出了晶片31的第一主側(cè)面41的頂視圖的圖4中，能夠看到分別在GCT單元32的陰極層區(qū)域34a和34b的頂表面上所形成的第一陰極電極33以及在第二陽(yáng)極層313的頂表面上所形成的第二陽(yáng)極電極317所具有的形狀。每個(gè)第一陰極電極33包括四個(gè)條形電極部分，其對(duì)應(yīng)于相應(yīng)GCT單元32的四個(gè)條形陰極層區(qū)域34a和34b。第二陽(yáng)極電極317為條形，對(duì)應(yīng)于相應(yīng)二極管單元312的第二陽(yáng)極層313的條形形狀。

每個(gè)第一陰極電極33的條形電極部分以及條形的第二陽(yáng)極電極317的縱向方向具有對(duì)準(zhǔn)于徑向的其縱向方向，其中該徑向?yàn)閺钠骷闹行难由斓姆较虿⑶移叫杏诰?1的第一主側(cè)面41的方向。其中，器件的中心是圓形晶片31的第一主側(cè)面41的中心。

在圖4中所示的實(shí)施例中，多個(gè)GCT單元32和多個(gè)二極管單元312分布在器件中心周?chē)膬蓚€(gè)同心環(huán)中。在每個(gè)環(huán)中，GCT單元32與二極管單元312交替布置。二極管單元312的第二陽(yáng)極層313與GCT單元32的第一陰極層34在沿著同心環(huán)的橫向方向上交替布置，從而使得，在平行于第一主側(cè)面41的平面之上的正交投影中，每個(gè)GCT單元32的第一陰極層34布置在橫向方向上GCT單元32的相對(duì)側(cè)面上相鄰于GCT單元32的兩個(gè)二極管單元312所具有的一對(duì)第二陽(yáng)極層313之間。因此，在圖4中第二陽(yáng)極電極317與第一陰極電極33交替布置，其中如上所述該第一陰極電極33各自包括四個(gè)條形電極部分。在每個(gè)環(huán)中，在此環(huán)中的每個(gè)條形陰極層區(qū)域34a、34b的長(zhǎng)度與在此環(huán)中的任何其他條形陰極層區(qū)域34a、34b的長(zhǎng)度相同。

由于與二極管單元312交替布置的GCT單元32，在平行于第一主側(cè)面41的平面之上的正交投影中，布置每個(gè)二極管單元312從而使得一個(gè)第二陽(yáng)極層313分布于在平行于第一主側(cè)面41的橫向方向上的兩個(gè)相鄰GCT單元32的第一陰極層34之間。

在圓形晶片10的第一主側(cè)面41上的中心區(qū)域中，分布有多個(gè)GCT單元32的所有柵電極310與其進(jìn)行電連接的公共柵極接觸311。GCT單元32的柵電極310以及其之間的連接被實(shí)現(xiàn)為以上所述的柵極金屬化層。

由于二極管單元312與GCT單元32的相間布置，晶片31的全部硅區(qū)域被電利用和熱利用。

利用本發(fā)明的反向?qū)üβ拾雽?dǎo)體器件，當(dāng)與BGCT設(shè)計(jì)技術(shù)的最佳狀態(tài)相比較時(shí)，每單位面積的最大電流控制能力(MCC)的改善程度能夠高達(dá)27％并且在導(dǎo)電損耗上的提高能夠高達(dá)4.5％。由于位于二極管的緊鄰處的特定陰極部分設(shè)計(jì)，當(dāng)與已有技術(shù)相比較時(shí)，實(shí)現(xiàn)了MCC的改善。導(dǎo)通狀態(tài)電壓降(導(dǎo)電損耗)的降低來(lái)自于在該創(chuàng)新技術(shù)中的等離子體分布的優(yōu)化擴(kuò)散。增大的MCC歸因于陰極區(qū)域布置的改善的均勻性，其在本發(fā)明中被設(shè)計(jì)為誘導(dǎo)出在整個(gè)導(dǎo)通期間來(lái)自于柵電極的均勻等離子體抽取。這提高了動(dòng)態(tài)雪崩誘導(dǎo)再觸發(fā)的電流限制，而同時(shí)器件的硬驅(qū)動(dòng)限制比此更高。此外在該創(chuàng)新技術(shù)中，二極管單元312有助于來(lái)自于GCT單元32中的基層35的等離子體的抽取，其還改善了電流可控性。

如以上所述，在相鄰二極管單元312的緊鄰處的兩個(gè)外部陰極層區(qū)域34b，相對(duì)于在這兩個(gè)外部陰極層區(qū)域34b之間的中間陰極層區(qū)域34a，應(yīng)當(dāng)具有在20％至75％范圍內(nèi)的寬度。由于一旦此限制被超過(guò)在高溫下MCC的極速下降，此上限不應(yīng)被超過(guò)。設(shè)置此下限以確保導(dǎo)通狀態(tài)電壓的下降不顯著。當(dāng)在相鄰二極管單元312的最接近鄰接處的兩個(gè)外部陰極層區(qū)域34b的寬度w’相對(duì)于中間陰極層區(qū)域34b的寬度超過(guò)75％時(shí)，在MCC中的極速下降歸因于失效機(jī)制的變化。在本發(fā)明的反向?qū)üβ拾雽?dǎo)體器件中，MCC由動(dòng)態(tài)雪崩誘導(dǎo)再觸發(fā)限制，反之在已知BGCT中，其特征為在二極管單元的緊鄰處的較寬外部陰極層區(qū)域，提前失效歸因于違反了硬驅(qū)動(dòng)限制。此硬驅(qū)動(dòng)限制隨著溫度增大變得越低，反之用于雪崩誘導(dǎo)再觸發(fā)的此限制隨著溫度而增加。此外，本發(fā)明的反向?qū)üβ拾雽?dǎo)體器件不能妥協(xié)于任何BGCT技術(shù)的電流狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)，包括當(dāng)器件在GCT模式下操作時(shí)進(jìn)入到二極管單元的有效熱擴(kuò)散以及當(dāng)器件在二極管模式下操作時(shí)進(jìn)入到GCT單元的有效擴(kuò)散。

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯的是，在不脫離由所附權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的思想的情況下以上所述的實(shí)施例的變形方式是可行的。

在以上所述的實(shí)施例中，反向?qū)üβ拾雽?dǎo)體器件被描述為具有第一陰極層34，其各自包括四個(gè)條形陰極層區(qū)域34a、34b。然而，使用兩個(gè)以上(即三個(gè)或更多個(gè))的任何其他數(shù)量的陰極層區(qū)域也是可行的，示范性地為三個(gè)至六個(gè)的條形陰極層區(qū)域34a、34b能夠包括在每個(gè)GCT單元32中。示范性地，在本發(fā)明的反向?qū)üβ拾雽?dǎo)體器件中，二極管單元的數(shù)量相對(duì)于第一陰極層區(qū)域的數(shù)量的比值可以在從1∶3至1∶5的范圍內(nèi)，示范性地為1∶3或者1∶4。

在以上所述的實(shí)施例中，GCT單元32與二極管單元312沿著整個(gè)環(huán)在每個(gè)同心環(huán)中交替布置，即GCT單元32在整個(gè)晶片區(qū)域上在橫向方向上與二極管單元312交替布置。然而，GCT單元不在整個(gè)晶片區(qū)域而僅在混合部分中與二極管單元312交替布置也是可行的，反之，晶片的剩余部分包括不與二極管單元312交替布置的GCT單元32。這種部分還被認(rèn)為是引導(dǎo)部分。同樣地，晶片可以包括區(qū)域，在其中二極管單元被形成為在此部分不與GCT單元32交替布置。

在以上所述的實(shí)施例中，反向?qū)üβ拾雽?dǎo)體器件被描述為具有圓形硅晶片31。然而，晶片31可以具有任何其他形狀，諸如矩形形狀或者可以由不同的半導(dǎo)體材料制備，諸如碳化硅或III族氮化物，例如(AlGaIn)N。

本發(fā)明的實(shí)施例被描述為在兩個(gè)同心環(huán)中具有非常特定的GCT單元32和二極管單元312的交替布置。然而可以采用其他布置。GCT單元32和二極管單元312被布置于其中的同心環(huán)的數(shù)量可以為其他任何環(huán)數(shù)量。并且在矩形晶片上的GCT單元32和二極管單元312的布置可以為條形第二陽(yáng)極層313和條形陰極層區(qū)域34a、34b被布置為相互平行的布置。例如，這種布置將會(huì)示范性地用于矩形晶片形狀。

在以上實(shí)施例中，反向?qū)üβ拾雽?dǎo)體器件被描述為具有緩沖層37。然而在變形實(shí)施例中，反向?qū)üβ拾雽?dǎo)體器件不包括緩沖層37。在此變形實(shí)施例中，為了避免反向偏壓條件下的穿通現(xiàn)象，與以上所描述的具有緩沖層37的實(shí)施例相比較，漂移層36在垂直于晶片31的第一和第二主側(cè)面41、42的方向上的厚度將會(huì)增大為大約兩倍。

以上實(shí)施例被解釋為具有特定導(dǎo)電類(lèi)型。在以上所述的實(shí)施例中的半導(dǎo)體層的導(dǎo)電類(lèi)型可以轉(zhuǎn)換，從而使得被描述為p型層的所有層將成為n型層而被描述為n型層的所有層將成為p型層。例如，在變型實(shí)施例中，GCT單元32能夠包括：p摻雜的第一陰極層34、n摻雜的基層35、p摻雜的漂移層36和n摻雜的第一陽(yáng)極層38。

以上實(shí)施例被描述為具有中心公共柵極接觸311。本發(fā)明不限于這種中心公共柵極接觸311。在晶片31的周邊或者在晶片31的周邊與中心之間某處的兩個(gè)環(huán)之間具有環(huán)形公共柵極接觸也是可行的，其能夠有利于使得柵電流脈沖的電流分布均勻化。

應(yīng)當(dāng)注意到，術(shù)語(yǔ)“包括”不排除其他元件或步驟并且不定冠詞“一”或“一個(gè)”不排除復(fù)數(shù)個(gè)。也可以組合利用結(jié)合不同實(shí)施例描述的元件。

附圖標(biāo)記列表：

1 晶片

2 柵極換流晶閘管(GCT)單元

3 陰極電極

4 陰極部分

5 基層

6 漂移層

7 緩沖層

8 陽(yáng)極層

9 陽(yáng)極電極

10 柵電極

11 柵極接觸

12 二極管單元

13 陽(yáng)極層

14 陰極層

15 隔離區(qū)域

16 陰極電極

17 陽(yáng)極電極

18 柵電極

19 GCT單元

25 基層

31 半導(dǎo)體晶片

32 柵極換流晶閘管(GCT)單元

33 第一陰極電極

34 第一陰極層

34a 中間陰極層區(qū)域

34b 外部陰極層區(qū)域

35 基層

36 漂移層

37 緩沖層

38 第一陽(yáng)極層

39 第一陽(yáng)極電極

310 柵電極

311 公共柵極接觸

312 二極管單元

313 第二陽(yáng)極層

314 第二陰極層

315 隔離區(qū)域

316 第二陰極電極

317 第二陽(yáng)極電極

41 第一主側(cè)面

42 第二主側(cè)面

W 寬度

W’ 寬度

d 距離。