[发明专利]双极半导体开关及其制造方法

说明书

技术领域

本发明的实施例涉及双极半导体开关，尤其涉及双极功率半导体开关，并且涉及相关的制造方法。

背景技术

半导体器件（诸如晶闸管和晶体管，例如场效应受控切换器件诸如金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）或绝缘栅双极晶体管（IGBT））已被用于各种应用，包括但不限于电源和功率转换器、电动车、空调、以及甚至立体声系统中的开关。尤其关于能够切换大电流和/或操作在较高电压下的功率器件，低导通状态电阻（其随后被称为导通电阻R_on）、柔和的切换行为（柔和恢复）和高电压阻断能力经常是所期望的。半导体器件的柔和性可以按照在关断半导体器件期间发生的过压和/或电压振荡和/或电流振荡来描述。

在IGBT中，隔离栅FET（场效应晶体管）用于双极晶体管的控制。按这样做，在单个半导体器件中，隔离栅FET的低导通电阻R_on和快速电压控制与双极晶体管的高电流和低饱和电压VCEsat结合。因此IGBT广泛用于中到高功率应用（诸如切换模式电源、逆变器和牵引电机控制）中。单个功率IGBT可以具有达到大约100A或更高的电流切换能力并且可以耐受达到6kV或甚至更高的阻断电压。

当IGBT被关断（关闭）时，电流可以在栅极上回动。这可以导致振荡并且甚至可以减小可控性。为了改善IGBT的柔和性，背侧发射极效率可以横向变化。然而这可以促成非均质电流分布。

另外，深垂直沟槽栅极经常用于功率IGBT。尤其栅极氧化物的底部可以被暴露到高静电场（例如由在栅极氧化物中的捕获的电荷产生的电场）和/或IGBT的阻断模式中的高动态电场。这可以导致减小阻断能力并且甚至导致永久性器件失效。另外，在阻断模式期间的雪崩事件中形成的热电荷载流子可以被注入到栅极氧化物中。这可以导致使器件的操作点和/或击穿的位置移位。尤其，所谓的动态雪崩可以引起振荡和/或器件失效，在所述动态雪崩中，与静态情况相比，由于添加到本底掺杂的流动的空穴，阻断模式期间的电场梯度变得实质上更陡峭。

用于在关断IGBT期间减小振荡的已知的手段仅具有有限的效果并且伴随副作用。例如，可以使栅极氧化物的底部和/或侧部更厚。然而，栅极氧化物的侧部的厚度通常限制为沟槽宽度的一半。另外，机械应力通常随栅极氧化物的厚度增加。使用具有比氧化硅大的介电常数的所谓的高k材料（诸如氧化铪）分别作为栅极氧化物和栅极电介质通常仅导致振荡的有限减小并且可以导致更复杂的制造。可替代地，处于源极电位上的附加的沟槽（无源栅极沟槽）可以布置在处于栅极电位上的沟槽之间。在关断期间，空穴电流可以在附加沟槽之下向发射极触点流动。因此，空穴电流对栅极的影响可以被有效地减小。然而，可能需要对于许多应用来说太高的栅极电阻以影响关断。另外，这个设计通常使用大的器件面积。

发明内容

根据双极半导体开关的实施例，半导体开关包括半导体主体，半导体主体包括第一p型半导体区、第二p型半导体区、以及第一n型半导体区，第一n型半导体区与第一p型半导体区形成第一pn结并且与第二p型半导体区形成第二pn结。在第一pn结和第二pn结之间的穿过第一n型半导体区的最短路径上，电荷复合中心的浓度和n掺杂剂的浓度变化。电荷复合中心的浓度在沿最短路径的一点处具有最大值，在该点处n掺杂剂的浓度至少接近于最大掺杂剂浓度。

根据双极半导体开关的实施例，半导体开关包括半导体材料的半导体主体。半导体主体包括第一p型半导体区、第二p型半导体区以及第一n型半导体区，第一n型半导体区与第一p型半导体区形成第一pn结并且与第二p型半导体区形成第二pn结。在与第一pn结和第二pn结中的至少一个基本正交的垂直截面中，除以元电荷的所述半导体材料的击穿电荷大于通过沿第一pn结和第一n型半导体区中的一点之间的基本垂直线积分n掺杂剂的浓度而获得的积分，在所述点处第一n型半导体区中的电荷载流子寿命至少接近于最小值。

根据双极半导体开关的实施例，半导体开关包括半导体主体。半导体主体包括第一p型半导体区、第二p型半导体区、以及第一n型半导体区，第一n型半导体区与第一p型半导体区形成第一pn结并且与第二p型半导体区形成第二pn结。在第一pn结和第二pn结之间的穿过第一n型半导体区的最短路径上，n掺杂剂的浓度具有至少两个最大值，并且电荷载流子寿命具有最小值，最小值被定位得至少接近于至少两个最大值中的至少一个。