CN102569375B - 四象限三端双向可控硅开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及四象限三端双向可控硅开关。提供一种竖直四象限三端双向可控硅开关，其中布置在前表面侧上的栅极区域包括第一导电类型的U形区域，该U形的底部抵靠该结构的一边，第二导电类型的主前表面区域在所述栅极区域的前面延伸并且被第一导电类型的所述主前表面区域的部分包围。

Description

四象限三端双向可控硅开关

技术领域

本发明涉及三端双向可控硅开关(triac)，并且更具体地涉及在四触发象限中具有类似的灵敏度的三端双向可控硅开关。

背景技术

这里考虑竖直的三端双向可控硅开关，即包括在所谓的后表面上的第一主电极(A2)以及在相反或前表面上的第二主电极(A1)以及栅极电极(G)的三端双向可控硅开关。通常，三端双向可控硅开关包括形成两个头尾晶闸管的并排的PNPN结构和NPNP结构。前表面的一部分专用于触发或栅极结构并且当在栅极电极和主前表面电极之间施加电压时允许触发该晶闸管，该晶闸管对于所施加的电压适当地偏置。

当前，三端双向可控硅开关形成于基本上为正方形的轮廓内，PNPN晶闸管和NPNP晶闸管基本上占用一半的有用表面积，并且该表面积的一小部分专用于触发结构，该触发结构通常布置于该正方形的角处。

根据存在于主电极和栅极电极上的电压一般地区域分四个触发象限。将A2称为主后表面电极，而将A1称为主前表面电极，并且考虑到用作栅极的参考的主电极A1处于零电压，四个象限Q1、Q2、Q3和Q4如下来限定：

图1A、图1B以及图1C分别示出了常规的角栅极三端双向可控硅开关的顶视图、沿图1A的线B-B的截面图以及沿图1A的线C-C的截面图。以下将参考所有这些附图。

该结构从轻掺杂N型半导体衬底1开始来建构。该结构包括在前表面侧上的P型阱3以及在后表面侧的P型层5。主电极A1和主电极A2之间的第一NPNPP⁺晶闸管包括形成在P阱3中形成的重掺杂的N型区域7以及区域3、1、5，以及在后表面侧上的更重掺杂的P型区域9。主电极A1和主电极A2之间的第二P⁺PNPN晶闸管包括形成在P阱3的上部中的、与电极A1接触的P⁺区域11以及在后表面侧上的、与电极A2接触的重掺杂N型区域13。这两个晶闸管通常具有基本上相等的表面积。

触发结构形成于P阱3中。触发结构包括重掺杂的N型区域15，该重掺杂的N型区域15一般具有图1A中所示的类型的特定形状，并被重掺杂的P型区域17包围。金属化栅极与这两个区域15和17接触。通过观察图1A和图1B，应当注意到，在前表面电极的主区域7和11与栅极区域15、17之间存在未过掺杂的P型阱区域18。在图1A中，由虚线指示主电极A1的轮廓，并且也由虚线指示栅极电极G的轮廓。在后表面侧上，在栅极区域之下形成重掺杂的N型区域19。

已经在三端双向可控硅开关的前表面的***形成了N⁺型沟道停止层20。特别是，根据三端双向可控硅开关是平面型还是台面型可以使用不同类型的***。由于这些***为本领域技术人员所公知并且不是本发明的主题，所以不在此详细描述。

如所知的，为了顺利地发生触发，应当满足许多条件，并且已经想出许多栅极拓扑以及放置于在栅极的前面的、后表面上的许多形状的N区域19。类似地，应当注意到，一般来说，根据灵敏度和对于三端双向可控硅开关的寄生触发抗扰度之间的折衷来选择阱3(以及因此层5)的掺杂。提供与电极的欧姆接触所需的P⁺层11、17和9将具有优化的形状以改进三端双向可控硅开关的灵敏度。

本领域技术人员仍需做出折衷。如果辅助晶闸管过于灵敏，则三端双向可控硅开关具有强的dV/dt触发风险，也就是说，当其主端子之间的电压突然改变时尽管没有施加栅极电压，其也存在触发的风险。

不可避免的结果是，在图1所示类型的所有角栅极结构中，应当在栅极和主电极A1之间流动以触发晶闸管的电流IGT在象限Q4中比在其它象限中大得多，并且对于三端双向可控硅开关的所有操作模式而言，dV/dt寄生触发特性不是优化的。

本领域技术人员已知三端双向可控硅开关的许多其它替选实施例。具体地，一般来说，所谓的发射极短路孔提供在主N⁺前表面7和N⁺后表面区域13中。这意味着N⁺层的每一个被局部地中断，从而使得它形成于其中的P区域在这些中断的水平处齐平。

这一结构在模式Q4(A2＜0，G＞0)中的触发模式如下。当相对于主电极A1向栅极施加正电压时，电流从金属化栅极G流进P区域17中并且行进到P⁺区域11。该电流的流动，尤其是沿N⁺区域7通过区域18，创建了大于0.6V的电压降并且使P阱3和N⁺区域7之间的结导电。这导致在栅极区域之下的载流子生成并且该强注入载流子生成改变了P阱3和衬底1之间的结的自然阻挡行为。包括区域17-3-1-5-19的辅助晶闸管导通并且其导通使得主晶闸管11-3-1-5-13导通。

图1A示出了其中触发开始于象限Q4(参考Q4)的区域。已经类似地示出在象限Q1和象限Q2(参考Q1、Q2)中的开始区域以及在象限Q3(参考Q3)中的开始区域。应当注意到，触发区域是清楚地分离的，这使得更好地理解在不同象限中平衡触发灵敏度的难度。

发明内容

本实施例的一个目的在于克服已知的三端双向可控硅开关结构中的缺点，并且特别在于改进三端双向可控硅开关在四个象限中的触发对称性，同时提供对寄生dV/dt触发具有强抗扰度的三端双向可控硅开关。

为了达到这个目的，建议修改栅极区域的位置，不是如在当前三端双向可控硅开关中通常做的那样将该栅极区域布置在角里，或者如许多年前制造的三端双向可控硅开关中那样居中地布置，而是将其基本上布置在该结构的一边的中间。

更具体地，一个实施例提供了一种竖直四象限三端双向可控硅开关，其中布置在前表面侧上的栅极区域包括第一导电类型的U形区域，该U形的底部抵靠该结构的一边，第二导电类型的主前表面区域在栅极区域的前面延伸并且由第一导电类型的主前表面区域的部分包围。

根据一个实施例，第一导电类型的两个主前表面区域在第一导电类型的区域中相接，该第一导电类型的区域将第二导电类型的栅极区域与第二导电类型的主区域隔开。

根据一个实施例，第一导电类型的主后表面区域在第二导电类型的主前表面区域之下以及在第二导电类型的栅极区域的一部分之下延伸。

根据一个实施例，第二导电类型的轻掺杂区域保持在第一导电类型的所述区域在栅极侧上的邻近区域中。

根据一个实施例，第一导电类型是N型，而第二导电类型是P型。

将在以下结合附图进行的具体实施例的非限制性的描述中具体讨论前述以及其它目的、特征以及优势。

附图说明

图1A、图1B和图1C分别是常规三端双向可控硅开关的顶视图和截面图；

图2A是根据本发明的实施例的三端双向可控硅开关的顶视图，而图2B和图2C是图2A的三端双向可控硅开关的截面图；以及

图3A、图3B、图3C、图4A、图4B、图4C、图5A、图5B、图5C以及图6A、图6B、图6C分别对应于图2A、图2B、图2C并且图示了图2的三端双向可控硅开关在四个象限的每个中的触发路径。

为了清楚起见，在不同的附图中，为相同的元件指定相同的参考标号，此外，如集成电路的表示中通常的情况那样，各个图不是按比例绘制的。

具体实施方式

图2A、图2B、图2C分别示出三端双向可控硅开关的顶视图，沿图2A的方向BB的截面图和沿图2A的方向CC的截面图。

该三端双向可控硅开关包括与先前所述的常规三端双向可控硅开关相同的***，但如已经注意到的那样，特别地依据于期望形成平面型还是台面型的三端双向可控硅开关，可以适合许多变体并且可以使用许多类型的***。

该三端双向可控硅开关包括与先前所述的三端双向可控硅开关相同的层和区域，但是它们被不同地分布和布置以优化触发电流的流动。其具体地包括轻掺杂N型衬底1、形成在前表面侧上的P型阱3和形成在后表面侧上的P型层5，以及层5的过掺杂部分9。在阱5中，主N⁺前表面区域对称地布置，其基本上为H形并且包括对应于H的两个臂的两个主元件21和22以及中心条23。主P⁺前表面区域25布置在H的臂之间(在附图的顶部)并且占据基本上等于N⁺区域21、22、23一起的表面积。第一主电极A1覆盖区域21、22、23和25的全部。栅极区域布置在H的两个臂之间(在附图的下部)并且包括重掺杂N型(N⁺)U形区域27，并且还包括在U内部的也与栅极电极接触的重掺杂P型区域29。如在图2A和图2B中所示，优选地保留P型阱3的未过掺杂区域28，其在主前表面区域的栅极区域27、29与条23之间。

在顶视图中以虚线示出了主后表面N⁺区域的轮廓30。该区域在P⁺区域25以及栅极区域27、29的至少一部分的前面延伸。

现在将描述以上三端双向可控硅开关的四象限中的触发路径。图3至图6再现了图2，并且以箭头指示了在各种触发阶段期间的电流流动。

图3A、图3B、图3C涉及象限Q1(主电极A2处于正电压，并且栅极电极G处于正电压，主电极A1处于零电压)。在该情况下，当在G和A1之间施加控制电压时，电流趋于从P⁺栅极区域29流向P⁺主区域25。该电流在由完全围绕N⁺区域21和22的箭头F1指示的方向上流动，并且在N⁺臂23以下在由箭头F2指示的方向上流动。在图3B中也示出了电流F2。这使得P阱和N⁺区域21、22、23之间的PN结导电。接着，电流趋于在图3B和图3C中可见的箭头F3指示的方向上流动。在P阱3和区域21、22、23之间的结的开始导电使得在阱3中生成载流子，由此降低了在该阱与衬底1之间的结的自然阻挡势垒。结果，如双箭头F4所指示的，在电极A2和A1之间由区域9-5-1-3-(21，22)形成的晶闸管触发。

图4A、图4B、图4C图示了在象限Q2中的触发，也就是说，当相对于A1而言，A2为正而G为负时。在触发的开始，存在电流流动F1、F2，但是相对于图3A、图3B、图3C在相反方向上。这使得P阱3和N⁺栅极区域27之间的PN结开始导电。因此，电流趋于在箭头F13指示的方向上流动。P阱3和N⁺栅极区域27之间的结的开始导电使得在阱3中生成载流子，由此降低了在该阱与衬底1之间的结的自然阻挡势垒。这导致栅极晶闸管9-5-1-3-27(箭头F14)的触发以及接着主晶闸管9-5-1-3-(21，22)(箭头F4)的触发。

图5A、图5B和图5C图示了在象限Q3中的触发，而图6A、图6B和图6C图示了在象限Q4中的触发。在象限Q3和象限Q4中，主P⁺PNPN晶闸管25-3-1-5-30容易被导通。可以发现与在第一象限和第二象限中的触发中相同的导通电流流动。对于象限Q3而言，事件以F1-F2、F3、F15的顺序发生，而对于象限Q4而言，事件以F1-F2、F3、F17和F15的顺序发生。

已经在图3A至图6A中的每个中指示了在象限Q1至象限Q4的每个中的导通区域。

因此，这提供了根据本发明的器件的重要优势，即导致三端双向可控硅开关的触发的电流路径非常相似，其中四个象限中的电流方向可能反向。此外，在一方面，导通区域在象限Q1和象限Q2中是相同的，在另一方面，导通区域在象限Q3和象限Q4中是相同的，并且在四个象限中的导通区域彼此接近。结果，如由试验所证实的，在所有四个象限中灵敏度相同。不需要采用特别的措施来使一个象限相对于其他象限优选。

试验已经表明，当辅助栅极晶闸管首先触发时，这一触发之后非常快地是主晶闸管的触发并且发生在接近于U形的分支的末端。因此不需要提供在栅极之下后表面N⁺区域的显著穿透，这增强了三端双向可控硅开关对于dV/dt寄生触发的抗扰度。因此，对照地研究图2A至图2C的三端双向可控硅开关与例如图1A至图1C中所示的现有技术的三端双向可控硅开关表明，这里描述的三端双向可控硅开关以与对常规三端双向可控硅开关的象限Q1、Q2、Q3中的触发有用的电流相同的栅极电流来在所有四个象限中导通。此外，已经观测到几乎大十倍的对dV/dt寄生触发的抗扰度。

当然，附图都是相对简化的，并且尽管以直角示出了各种区域，但是实际上，通常这些角将被圆化以避免各种寄生现象。

已经示出了每次必须在P型层或阱与电极之间形成接触时的过掺杂P型区域，标记为P⁺(区域9、25、29)。应当注意到，在某些实施例中，如果阱或层的掺杂是足够的和/或改进了金属-硅接触，则可以省略这样的过掺杂区域。此外，所有的导电类型可以反转。

Claims (5)

1.一种竖直四象限三端双向可控硅开关，其中布置在前表面侧上的栅极区域包括第一导电类型的U形区域(27)，所述U形的底部抵靠所述三端双向可控硅开关的一边，第二导电类型的主前表面区域(25)在所述栅极区域的前面延伸并且被第一导电类型的主前表面区域的部分(21，22)包围。

2.根据权利要求1所述的三端双向可控硅开关，其中所述第一导电类型的主前表面区域的部分(21、22)在第一导电类型的区域(23)中相接，该第一导电类型的区域(23)将第二导电类型的栅极区域与第二导电类型的主前表面区域(25)隔开。

3.根据权利要求1所述的三端双向可控硅开关，其中第一导电类型的主后表面区域(30)在第二导电类型的主前表面区域(25)之下以及在第二导电类型的栅极区域(29)的一部分之下延伸。

4.根据权利要求2所述的三端双向可控硅开关，其中第二导电类型的轻掺杂区域(28)保持在第一导电类型的所述区域(23)在栅极侧上的邻近区域中。

5.根据权利要求1所述的三端双向可控硅开关，其中所述第一导电类型是N型，而所述第二导电类型是P型。