Полупроводниковое силовое устройство

Полезная модель направлена на повышение технологичности силового полупроводникового устройства, а именно тиристора. Указанный технический результат достигается тем, что тиристор, выполненный на основе кремниевой пластины, содержит снизу вверх слой p-типа проводимости, слой n-типа проводимости, содержащий на поверхности множество ячеек прямоугольной формы, каждая из которых состоит из области p-типа проводимости прямоугольной формы, включающей по крайней мере одну область n⁺-типа проводимости, расположенную вблизи короткой стороны области p-типа. Внутри ячейки, за пределами области n⁺-типа, и на границах длинной стороны ячейки, а также вдоль длинных сторон ячеек между ячейками сформированы области p⁺-типа, имеющие глубину залегания 0,3-1,0 микрон. Между областями p⁺-типа на поверхности слоя n-типа сформированы слой подзатворного диэлектрика и затвор. 4 з.п.ф., 3 илл.

Настоящая полезная модель относится к области мощных переключательных полупроводниковых устройств, конкретно к высоковольтным быстродействующим тиристорам.

Идеальное силовое переключательное полупроводниковое устройство должно характеризоваться простотой управления, высокой скоростью переключения, блокировать заданное (как правило, высокое) напряжение с малыми токами утечки в выключенном состоянии и пропускать очень высокие токи во включенном состоянии.

Такое идеальное, сочетающее все перечисленные признаки полупроводниковое устройство создать практически невозможно, можно говорить о выборе определенных соотношений между перечисленными характеристиками.

Известен тиристор («Gate-turn-off-thyristor with high blocking voltage and small device thickness» патент EP 0700095 от 03.06.1996 г., авторы F. Bauer, S. Eicher), содержащий n⁺p-эмиттер, управляющую p-базу, n-базу и np⁺ -эмиттер, выключение которого осуществляется подачей выключающего тока, величина которого равна коммутируемому току, на управляющую базу запираемого тиристора (ЗТ, GТО - Gate-turn-off thyristor).

Устройство позволяет коммутировать высокие токи, однако характеризуется низким быстродействием и высокой мощностью в цепи управления.

Известен биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ, IGBT - insulated-gate-bipolar-transistor) («Power transistor device having deep increased concentration region» патент FR2695253 от 04.03.1994 г., авторы PERRY MERRIL; GOULD HERBERT J; «MOSFET with perimeter channel» от 30.07.1985 г., авторы FORD RAYMOND T; BRACKELMANNS NORBERT W; WHEATLEY JR CARL F; NEILSON JOHN M S), являющийся по конструкции ближайшим аналогом высоковольтного вертикального МОП-транзистора, изготавливаемого по технологии, использующей метод двойной диффузии, (ДМОП-транзистор). ДМОП-транзистор изготавливается с использованием структуры с высокоомным эпитаксиальным n-слоем, выращенным на низкоомной n⁺подложке. На лицевой поверхности эпитаксиального слоя формируется множество ячеек в виде p-областей, внутри которых самосовмещенно с их границами создаются n⁺-области, являющиеся истоками МОП-транзистора, а над поверхностью между n⁺-областями и границами p-областей, а также над поверхностью эпитаксиального слоя между p-областями, являющейся областью стока, формируется слои подзатворного диэлектрика и затвор. Под областями истока в p-областях создаются дополнительные p⁺-области для подавления паразитного биполярного npn-транзистора. На обратной стороне структуры изготавливается металлизация стока. При подаче на затвор положительного потенциала выше порогового напряжения между стоком и истоком формируется инверсный канал n-типа проводимости и транзистор открывается. При подаче на затвор потенциала ниже порогового напряжения канал инверсный исчезает и транзистор запирается.

Недостатком ДМОП-транзистора является высокое сопротивление в открытом состоянии, обусловленное высоким удельным сопротивлением эпитаксиального слоя, являющегося частью стоковой области. Для повышения блокирующего напряжения повышаются удельное сопротивление и толщина эпитаксиального слоя. Поэтому чем выше блокирующее напряжение, тем меньше удельная проводимость МОП-транзистора на единицу площади.

IGBT изготавливается подобным образом. Однако, на исходной структуре выполненной в виде n-слоя, расположенного над p-слоем. Таким образом конструкция IGBT содержит вертикальный pnp-транзистор, эмиттером, базой и коллектором которого являются, соответственно, p-слой исходной структуры, n-слой и p-области на поверхности n-слоя. При подаче на затвор положительного потенциала выше порогового напряжения МОП-транзистор открывается. Протекающий при этом ток отпирает эмиттерный pn-переход биполярного транзистора, электронный ток протекающий в этой цепи, вызывает инжекцию дырок в p-слой, что приводит к модуляции проводимости в n-слое и значительному снижению его удельного сопротивления, существенно повышая удельную проводимость прибора на единицу площади по сравнению с ДМОП-транзистором. Для выключения к затвору прикладывается потенциал, ниже порогового, что приводит к исчезновению инверсного канала и обрыву базового тока биполярного транзистора, который при этом выключается.

Принципиальным достоинствами IGBT является низкая потребляемая мощность в цепи управления и высокое быстродействие.

Недостатком IGBT является высокое (почти в два раза больше по сравнению с тиристором) остаточное напряжение во включенном состоянии на единицу площади при одинаковом токе.

Самое близкое решение («Insulated gate thyristor with gate turn on and turn off» патент США US5381025 от 10.01.1995 г., автор ZOMMER NATHAN). Данное изобретение представляет улучшенный тиристор с изолированным затвором, включающийся и выключающийся управлением по изолированному затвору (IGTH), частично являясь аналогом IGBT. Сущность решения заключается в том, что в конструкции IGBT p/p⁺-области под истоками МОП-транзисторов ячеек имеют меньшую концентрацию, что позволяет в момент отпирания IGBT включиться биполярному npn-транзистору и включению, таким образом, тиристора. Некоторые p/p⁺-области маскируются во время формирования n ⁺-истока и не содержат областей истоков, образуя таким образом специальные ячейки. Область n⁺-истока IGBT ячейки одновременно является эмиттером npn-транзистора тиристорной структуры. Затвор и подзатворный окисел, расположенные между специальной ячейкой и стандартной ячейкой IGBT, образуют горизонтальный p-канальный МОП-транзистор, предназначенный для выключения устройства при подаче отрицательного потенциала на затвор.

Однако данное техническое решение имеет ряд недостатков: специальная ячейка формируется одновременно с ячейкой IGBT, имеет такую же глубину залегания и расстояние до стандартной ячейки, что приводит к большим потерям активной площади IGTH и уменьшению удельной проводимости на единицу площади, а также влечет за собой низкую крутизну горизонтального p-канального МОП-транзистора, трудности с запиранием IGTH и низкое быстродействие.

Техническим результатом предлагаемого решения является увеличение крутизны и уменьшение сопротивления p-канального транзистора, что позволяет гарантированно запереть IGTH при подаче отрицательного потенциала на затвор, увеличить удельную проводимость включенного тиристора на единицу площади и повысить быстродействие прибора.

Технических результат достигается тем, что на поверхности слоя n-типа между ячейками вдоль коротких сторон ячеек, а также частично над поверхностью областей p-типа и областей n⁺-типа сформированы слой подзатворного диэлектрика и затвор, а также активные области ячеек тиристора содержат дополнительные мелко залегающие области p⁺-типа, сформированные внутри активных областей ячеек за пределами областей n⁺-типа и на границах длинных сторон ячеек, и вдоль длинных сторон активных областей ячеек между ячейками, а между этими областями p ⁺-типа на поверхности слоя n-типа сформированы слой подзатворного диэлектрика и затвор. Области p⁺-типа, сформированные внутри активных областей ячейки является стоком горизонтального p-канального МОП-транзистора, а область p⁺-типа, сформированная между активными областями ячеек является истоком горизонтального p-канального МОП-транзистора. Уменьшение глубины залегания стоков и истоков горизонтальных p-канальных МОП-транзисторов позволяет увеличить удельную активную площадь ячеек и, таким образом, удельную проводимость устройства во включенном состоянии, увеличить крутизну и уменьшить сопротивление горизонтальных p-канальных МОП-транзисторов при подаче отрицательного потенциала на затвор, что позволяет увеличить быстродействие устройства.

На Фиг.1 изображен вид устройства сверху.

На фиг.2 изображен разрез структуры устройства в сечении АА.

На фиг.3 изображен разрез структуры устройства в сечении ББ.

1 - p-слой, эмиттер pnp-транзистора, анод тиристора;

2 - n-слой, база pnp-транзистора, коллектор npn-транзистора;

4 - p⁺-область, пассивная база npn-транзистора, сток горизонтального p-канального МОП-транзистора;

5 - p⁺-область, исток горизонтального p-канального МОП-транзистора;

6 - n⁺-область, эмиттер npn-транзистора катод тиристора;

7 - слой подзатворного диэлектрика;

8 - слой затвора;

На Фиг.2, 3 схематически показаны соединенные параллельно металлическими шинами области анода и катода n⁺pnp тиристорных ячеек и параллельными поликремневыми шинами области управляющего затвора.

Предлагаемая конструкция работает следующим образом.

IGTH имеет 2 устойчивых состояния - состояние «включено», когда на затвор устройства подан положительный потенциал, по своей величине превышающий пороговое напряжение включения (например, плюс 15 В) IGBT сформированного на коротких сторонах прямоугольной тиристорной ячейки, и состояние «выключено», когда на затвор устройства подан отрицательный потенциал, по своей абсолютной величине превышающий пороговое напряжение включения (например, минус 15 В), горизонтального p-канального МОП-транзистора, сформированного на длинных сторонах прямоугольной тиристорной ячейки. Пороговое напряжение включения IGBT в составе тиристорной ячейки обычно составляет плюс 3-6 В, а пороговое напряжение включения горизонтального p-канального МОП-транзистора обычно составляет минус 3-6 В. Включение устройства осуществляется подачей на затвор положительного импульса напряжения от минус 15 В до плюс 15 В. При этом на поверхности 3 между областями 2 и 6 по короткой стороне ячейки формируется инверсионный канал n-типа проводимости и исчезает инверсионный канал p-типа проводимости между областями 4 и 5 по длинной стороне ячейки, шунтирующий в состоянии «выключено» эмиттерный pn-переход биполярного npn-транзистора. По цепи между областями 6 и 1 начинает протекать ток, смещая базовые pn-переходы npn- и pnp-транзисторов в составе тиристорной структуры в прямом направлении, в базовых областях 2 и 3 происходит накопление заряда неосновных носителей и тиристор переходит в состояние «включено». Выключение устройства осуществляется подачей на затвор отрицательного импульса напряжения от плюс 15 В до минус 15 В. При этом исчезает инверсионный канал n-типа проводимости на короткой стороне ячейки и формируется инверсионный канал p-типа проводимости между областями 4 и 5 по длинной стороне ячейки, шунтируя эмиттерный pn-переход биполярного npn-транзистора тиристорной структуры, что приводит на первом этапе выключения (этапе задержки) к уменьшению накопленного заряда, при этом анодный ток устройства практически не меняется. По окончании этапа задержки происходит восстановление центрального коллекторного перехода (между областями 3 и 4) и происходит быстрый спад анодного тока, сопровождающегося формированием области пространственного заряда. На третьем этапе выключения имеет место медленный спад анодного тока, определяемый рекомбинацией избыточных носителей в области 2. При выключении тиристора с помощью шунтирования эмиттерного pn-перехода биполярного npn-транзистора имеет значение сопротивление канала горизонтального p-канального МОП-транзистора. Чем меньше это сопротивление, тем больший ток может быть выключен.

1. Полупроводниковое силовое устройство, выполненное на основе кремниевой пластины, содержащее снизу вверх слой p-типа проводимости, слой n-типа проводимости, содержащий на поверхности множество ячеек прямоугольной формы, каждая из которых состоит из области p-типа проводимости прямоугольной формы, включающей по крайней мере одну область n⁺-типа проводимости, расположенную вблизи короткой стороны области p-типа, отличающееся тем, что внутри ячейки за пределами области n⁺-типа и на границах длинной стороны ячейки, а также вдоль длинных сторон ячеек между ячейками сформированы области p⁺-типа, а между областями p⁺-типа на поверхности слоя n-типа сформированы слой подзатворного диэлектрика и затвор.

2. Полупроводниковое силовое устройство по п.1, отличающееся тем, что на поверхности слоя n-типа между ячейками вдоль коротких сторон ячеек, а также частично над поверхностью областей p-типа и областей n-типа сформированы слой подзатворного диэлектрика и затвор.

3. Полупроводниковое силовое устройство по п.1, отличающееся тем, что область p ⁺-типа имеет глубину залегания 0,3-1,0 мкм.

4. Полупроводниковое силовое устройство по п.1, отличающееся тем, что области p ⁺-типа, сформированные на границах области p-типа и слоем подзатворного диэлектрика, являются стоком p-канального МОП-транзистора, а области p⁺-типа, сформированные между ячейками, являются истоком p-канального транзистора.