CN1428871A - 可对象限q4和q1响应的双向静态开关 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种在第一导电类型的半导体基底中形成的具有正面和背面的双向开关，其构成包括在第一区中的第一主垂直闸流晶体管，该闸流晶体管具有一第二导电类型的背面层，与具有第一导电类型的背面层的第二主垂直闸流晶体管邻接；一个与第一区分开配置于正面一侧的触发区，此触发区包括一个第二导电类型的阱，在阱中形成一个第一导电类型区；覆盖背面的第一主电极金属化层；在第一和第二闸流晶体管上的正面层上的第二主金属化层；在所述阱上的第三栅极金属化层；以及在背面一侧，第二导电类型的附加区域和夹在此附加区域和第一背面金属化层中间的绝缘层；所述附加区域在触发区和部分地在第一区下延伸；以及在所述区域上的第四金属化层。
Description
技术领域
本发明涉及以单片形式制造的中等功率的双向开关。
背景技术
当前多数静态双向开关是双向闸流晶体管(三端双向可控硅开关元件)。双向闸流晶体管相当于两个闸流晶体管反并联。因此双向闸流晶体管可以直接在交流网络，比如，电力网，中连接。通常的双向闸流晶体管的栅极相当于形成双向闸流晶体管的至少两个闸流晶体管中的一个的阴极栅极并且是指位于此双向闸流晶体管的正面一侧(即包括门端子的表面)的电极，而此双向闸流晶体管的背面，处于高电压，当前是连接到一个辐射器，而这产生绝缘问题。
欧洲专利申请EP-A-0817277描述了一种新型双向开关，其触发通过施加在位于器件正面上的控制电极和在位于器件的对面或背面的主电极的电压下的电极之间的电压来保证，而此整个背面由金属化层覆盖并可接地。
欧洲专利申请EP-A-1076355描述了对上述开关的一种改进，可以对象限Q3和Q2中的控制，即当栅极很可能接受到相对背面电极为负的控制电压，具有相对高的响应性能。
发明内容
本发明的目的在于对欧洲专利申请EP-A-0817277的器件提供一种改进使其可以获得对象限Q4和Q1的相对高的响应性能，即当栅极有可能接受一个相对当前接地的背面电极为正的控制电压，而正面电极相对背面电极分别为正或负时。
为达到这一目的和其他目的，本发明提供一种在第一导电类型的半导体基底中形成的具有正面和背面的双向开关，其构成包括在第一区中的第一主垂直闸流晶体管，该闸流晶体管具有一第二导电类型的背面层，与具有第一导电类型的背面层的第二主垂直闸流晶体管邻接；一个与第一区分开配置于正面一侧的触发区，此触发区包括一个第二导电类型的阱，在阱中形成一个第一导电类型区；覆盖背面的第一主电极金属化层；在第一和第二闸流晶体管上的正面层上的第二主金属化层；在所述阱上的第三栅极金属化层；以及在背面一侧，第二导电类型的附加区域和夹在此附加区域和第一背面金属化层中间的绝缘层；所述附加区域在触发区和部分地在第一区下延伸；以及在所述区域上的第四金属化层。
根据本发明的一个实施方式，双向开关包括一个从背面向正面延伸的第二导电类型的周边阱。
根据本发明的一个实施方式，在工作时，第四金属化层与背面金属化层的电压相连接。
根据本发明的一个实施方式，所述阱，在顶视图中，包围第一区，所述区域只在第一闸流晶体管一侧的第一区的一侧上延伸。
根据本发明的一个实施方式，在第一区的周边上配置一个第二导电类型的轻掺杂层，由一个足够宽的基底区将其与结构的其余部分分开以便耐受所要求的器件击穿电压，此足够宽的基底区由阻挡沟道环分割为两部分。
本发明的上述目的、特征及优点将结合附图在具体实施方式的下面的非限制性描述中予以详细讨论。
附图说明
图1为根据本发明的一个方面的双向开关的具体实施方式的简化剖面图。
图2为根据本发明的双向开关的具体实施方式的简化剖面图。
图3为根据本发明的双向开关的导通电流的特性曲线图。
具体实施方式
为清楚起见，不同附图中的同样元件用同一标号标记。另外，与通常在集成电路的表示法中一样，图1和图2不是按比例绘制的。
图1为根据本发明的一种单片的双向开关的一个实施方式的简化剖面图。此器件包含一个可以具有高击穿电压(比如300至1000伏)的中等功率开关结构。与图1所示的为了清楚起见的示图相反，此开关结构实际上占据了器件表面区的大部分。该开关结构包含两个反向并联的闸流晶体管Th1和Th2。此器件在N型半导体基底上1形成。在正面一侧形成有一个P型阱2，其中形成有一个N型区3。在背面一侧形成有一个P型层5，其中形成有一个N型区6，区6至少与未被层3占据的阱2的部分相对。闸流晶体管Th1与区和层5-1-2-3相对应且其阳极在背面一侧。第二闸流晶体管Th2在区和层6-5-1-2上形成且其阳极位在正面一侧。
在正面一侧，开关结构Th1和Th2由用来决定击穿电压的一个周边区所包围。此周边区，比如，包含一个在阱2的周边上的轻掺杂的P型环8，环8在横向方向上由N型基底的一个区将其与其他结构元件隔开，在该区的中部形成有一个N型阻挡沟道环9。
触发结构由P型阱11形成，在其中形成一个N+型12。器件周边由一P型阱13定界，该P型阱13从背面延伸到正面。在图中靠右方，一个P-型环15形成阱13的界限，并且在图中靠左方，形成P型阱11的界限，该P-型环15也示出为用来改进开关部分的击穿电压。阱11与阱13隔开的距离足以承受此电压。作为一种替代方案(图中未示出)，为了避免寄生触发和减小横向闸流晶体管2-1-11-12的敏感度，在阱11和阱13中间设置一个电阻。此电阻，比如，可以由在阱11和阱13中间的轻掺杂的P型区(P-)形成。
器件的整个背面覆盖一层金属化层M1，就像通常在中等功率和功率器件中所做的那样。金属化层M2覆盖闸流晶体管Th2的阳极和闸流晶体管Th1的阴极。在P阱上形成与栅极端连接的栅极金属化层M3，而在N+区12形成金属化层M4。最好是环形金属化层M5覆盖环形区9，并且环形金属化层M6覆盖阱13的周边。金属化层M5和M6不与外部端子连接，只是用来保证下面的掺杂区电位相同。
根据本发明的双向开关预备在金属化层M4，与金属化层M1一样，接地时，将栅极端G设置为正电压。这种触发模式是本发明的一个方面。
在象限Q4，即当金属化层M2相对接地的金属化层M1为负并且在栅极端上施加的是正电压时，有一个栅极电流流过P阱11和N+栅极区12中间的结(正向偏置的)。之后，电子通过扩散注入到基底，并且电子返回处于最大正电压的栅极金属化层G。从栅极G的区11，空穴被注入到基底。之后，这些空穴受到存在于此结构中的最低负电位所吸引。最低负电位是金属化层M2上的电位。于是，空穴(箭头18)将开启N型基底1和P型阱2中间的结，而闸流晶体管Th1趋于导通。然而，假设接地的金属化层M1的电位比栅极区电位更负，则一部分空穴(箭头19)将流向此金属化层，在该金属化层的电位下这些空穴将会复合并且这些空穴将会在触发中消耗掉。结果，为了触发闸流晶体管，必须提供足够大的栅极电流。
空穴要达到闸流晶体管Th1的触发区而需要通过的路径(箭头18)比较长，假定在实际开关结构的周边必须提供一个自由区以便保证足够的击穿电压的话。这样，在触发区前面的背面一侧上存在N+区(图中未示出)的场合，类似于上面对欧洲专利申请EP-A-1076365的描述，已经确认，为了在象限Q4中触发闸流晶体管Th1，栅极电流必须大于40毫安。
如图2所示，为了提高触发的灵敏度，本发明，除了图1所示的具体触发结构之外，还在触发区下面配置一个借助绝缘层21(最好是氧化物层)而与金属化层M1绝缘的重掺杂P型区20。采用这种结构，在触发时，上述空穴沿着点线示出的路径23，在重掺杂的P型区20中不几乎发生复合地传播。要使层20足够有效，它不仅必须在触发区下面，即在阱11下面，而且也必须侵入到与实际开关结构相对应的区域之下。P型环8的外部部分的投影和实际开关结构下面P区20的界限的投影之间的距离在图2中以d1标记。距离d1特别包含环8的宽度。
图3示出闸流晶体管Th1在其阴极负偏置时的触发电流igt4的值与距离d1的关系。可以看出，当距离d1很小时，栅极电流值很大，如前所述，大致可达到40毫安。一当距离d1变得大于环8的宽度，则触发电流减小并且实质上在距离d1大致等于200μm时到达极小值，之后实质上保持不变。此时触发电流的值大约为10毫安，此值是完全可以接受的。
图2中在绝缘壁的周边上也示出横向金属化区域40。此区相应于可能的灯芯作用。应当指出，在示出的场合，此灯芯作用对电路工作无影响。这是本发明的结构的另一优点。
当然，根据本发明的器件在象限1中进行控制时，即在栅极电流还为正时，主金属化层M2相对主金属化层M1为正偏置的情况下，也必须能够满意地工作。在此场合，要考虑从N+区12扩散到基底中的电子。这些电子很容易通过N型基底传播到正金属化层M2启动N型区3和阱2之间的阻断结。P+型区20的存在对此触发模式无影响，这在避免在金属化层M1一侧发生复合也是一个优点，在此场合，这一点比较起来是第二位的。
对于本领域的专业人士而言可以对本发明的结构进行各种改进以使其工作优化。比如，栅极接触M3最好是尽量靠近功率区。比如，如果，在图2中，栅极接触是置于金属化层M4的下面而不在金属化层M3的下面，则将会从大约为10毫安的触发电流切换到大约为25毫安的触发电流。的确，在此场合，在绝缘壁上失掉的空穴与指向绝缘的背层20的空穴相比较不再是可以忽略不计。
另一方面，为了使闸流晶体管Th1在象限Q4中易于触发，N+型区3下面的P型阱2的电阻最好比较大。
为了保证击穿电压，将在P型绝缘层20，一方面，和壁13，另一方面，和P层5之间提供足够的距离。最好在P型掺杂层5中在功率器件一侧上的绝缘层21的界限处提供一个N型掺杂层25。这可以使一部分空穴避免经此P层被吸引到金属化层M1。
阱11可在以包围整个功率区的栅极金属化层M3覆盖的环中延伸。
当然，本发明可以有各种改变、改型和改进，这些对于本专业领域的人士是显而易见的。特别是，本发明可应用于形成开关网络结构的任何类型的单片器件。另外，所有的导电类型都可以反转，而偏置也应该相应地改变。还有，为了改进闸流晶体管的灵敏度，通常可以在与闸流晶体管Th1的阴极相对应的N+型区3中提供发射极短路孔。
这些改变、改型和改进的目的是本发明的公开的一部分，并包括在本发明的精神和范围之内。因此，上述说明的描述仅仅是举例，并且只有下面的权利要求及其等效物确定的本发明的范围不限于此。
Claims (5)
1.一种在第一导电类型的具有正表面和背表面的一个半导体基底(1)上形成的单片双向开关，包括：
在第一区中的第一主纵向闸流晶体管(Th1)，该闸流晶体管具有一第二导电类型的背表面层(5)并与具有第一导电类型的背表面层(6)的一个第二主纵向闸流晶体管(Th2)相邻接；
一个与第一区分开地设置于正表面一侧的触发区，此触发区包括一个第二导电类型的阱(11)，在该阱(11)中形成有一个第一导电类型的区(12)；
覆盖背表面的第一主电极金属化层(M1)；
在第一和第二闸流晶体管上的正表面层上的第二主电极金属化层(M2)；
在所述阱(11)上的第三栅极金属化层(M3)；
在背表面一侧上的第二导电类型的一个附加区域(20)和位于此附加区域和第一背表面金属化层(M1)中间的一个绝缘层(21)，所述附加区域在触发区之下延伸并部分地在第一区下延伸并与所述第一和第二闸流晶体管的背表面层相分开；以及
在所述区域(12)上的第四金属化层(12)。
2.如权利要求1的双向开关，包括一个从背表面向正表面延伸的第二导电类型的周边阱(13)。
3.如权利要求1的双向开关，其中在工作时第四金属化层(M4)与背表面金属化层(M1)的电压相连接。
4.如权利要求3的双向开关，其中所述阱(11)从上方看包围第一区，所述区域(12)只在第一闸流晶体管Th1一侧的第一区的一侧上延伸。
5.如权利要求3的双向开关，其中在第一区的周边上设置有一个第二导电类型的轻掺杂层(6)，该层(6)由一个足够宽的基底区与结构的其余部分分开以便耐受所要求的器件击穿电压，此足够宽的基底区由一个阻挡沟道环(9)分割为两部分。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |