本公開涉及保護(hù)以防過熱的功率部件，并且更具體地涉及保護(hù)以防溫度增加的具有豎直結(jié)構(gòu)的三端雙向可控硅開關(guān)和晶閘管。

背景技術(shù)：

具有豎直結(jié)構(gòu)的三端雙向可控硅開關(guān)和晶閘管是包括至少四個(gè)層和/或交替?zhèn)鲗?dǎo)類型的半導(dǎo)體區(qū)域的堆疊的電子功率開關(guān)。在這樣的部件中，第一金屬化層或主電極A1置于堆疊的主表面上。第二金屬化層或主電極A2置于堆疊的其它主表面上。金屬化層或柵電極G與主電極A1置于堆疊的同一表面上。

通常，當(dāng)這些部件中的一個(gè)部件的主電極A1與A2之間存在電勢(shì)差時(shí)，主電極A1與A2之間的電流的流動(dòng)以柵極電流在柵電極上的應(yīng)用為條件。一旦在主電極之間的電流流動(dòng)已經(jīng)被建立，則這些部件保持傳導(dǎo)電流直到其在被稱為保持電流的門限值下面通過。

圖1對(duì)應(yīng)于美國專利申請(qǐng)公開第2015/0108537號(hào)(通過引用被合并)的圖7。本附圖是具有豎直結(jié)構(gòu)的三端雙向可控硅開關(guān)1的示例的橫截面視圖。

三端雙向可控硅開關(guān)1從輕摻雜N型硅襯底3(N^-)形成。襯底3的上表面和下表面包括P型摻雜層5和7。上部層5包含重?fù)诫sN型區(qū)域9(N⁺)和重?fù)诫sN型區(qū)域11(N⁺)。下部層7在基本上與在俯視圖中由區(qū)域9占據(jù)的區(qū)域互補(bǔ)的區(qū)域中包含重?fù)诫sN型區(qū)域13(N⁺)。主電極A1被布置在襯底3的上表面上，跨著P型摻雜層5的部分和N⁺區(qū)域9。主電極A2被布置在襯底3的下表面上，跨著P型摻雜層7的部分和N⁺區(qū)域13。柵電極G布置在襯底3的上表面上，跨著P型摻雜層5的部分和N⁺區(qū)域11。

當(dāng)三端雙向可控硅開關(guān)1處于斷開狀態(tài)并且柵極信號(hào)被施加給端子G時(shí)，柵極電流IGK在端子G與A1之間流經(jīng)P層5，P層5在端子之間形成電阻器RGK。如果柵極電流IGK的絕對(duì)值大于三端雙向可控硅開關(guān)1的接通門限，則端子G與A1之間的電壓降VGK足以接通三端雙向可控硅開關(guān)1，三端雙向可控硅開關(guān)1從斷開狀態(tài)切換至接通狀態(tài)。

三端雙向可控硅開關(guān)1的缺點(diǎn)在于，當(dāng)其溫度增加時(shí)，P層5的電阻增加，并且因此等效電阻RGK的值增加。因此，即使端子G與A1之間的電流IGK小于標(biāo)稱接通電流，這一電流的流動(dòng)仍然可以在P層5中引起高的電壓降，從而引起三端雙向可控硅開關(guān)1的寄生接通。該寄生開始有助于將三端雙向可控硅開關(guān)溫度增加至高達(dá)能夠引起三端雙向可控硅開關(guān)的劣化或者甚至毀壞的很高的值。晶閘管也存在相同的問題。

圖2對(duì)應(yīng)于美國專利申請(qǐng)公開第2012/0250200號(hào)(通過引用被合并)的圖3(a)。本附圖是防止過熱的三端雙向可控硅開關(guān)20的保護(hù)的示例的電路圖。

三端雙向可控硅開關(guān)20包括主端子A1和A2以及柵極端子G。三端雙向可控硅開關(guān)20的端子G與端子A1之間連接有肖克利(Shockley)二極管30。肖克利二極管30熱鏈接至三端雙向可控硅開關(guān)20。

在操作中，肖克利二極管30初始處于斷開狀態(tài)并且三端雙向可控硅開關(guān)20正常操作。當(dāng)三端雙向可控硅開關(guān)20過熱時(shí)，肖克利二極管的溫度增加并且其接通門限減小。因此，當(dāng)柵極信號(hào)被施加給端子G時(shí)，該信號(hào)通過肖克利二極管被偏離。因此，沒有電流流經(jīng)被肖克利二極管短路的電阻器RGK，并且三端雙向可控硅開關(guān)20保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。這使得能夠避免三端雙向可控硅開關(guān)的溫度繼續(xù)增加，從而防止其劣化或者其毀壞。

關(guān)于圖2所描述的保護(hù)相對(duì)較難實(shí)現(xiàn)和調(diào)節(jié)，并且還相對(duì)較笨重。

因此，期望具有包括保護(hù)以防過熱的三端雙向可控硅開關(guān)和晶閘管，從而克服現(xiàn)有的保護(hù)方案的至少某些缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

實(shí)施例提供了一種具有豎直結(jié)構(gòu)的三端雙向可控硅開關(guān)，其在硅襯底的上側(cè)表面上包括：具有第一部分和第二部分的主金屬化層，第一部分置于被形成在第二傳導(dǎo)類型的層中的第一傳導(dǎo)類型的第一區(qū)域上，并且第二部分置于上述層的部分上；置于在第一區(qū)域的附近形成在上述層中的第一傳導(dǎo)類型的第二區(qū)域上的柵極金屬化層；以及被形成在上述層中的至少一個(gè)多孔硅棒，上述棒的第一端與金屬化層接觸并且上述棒的第二端與主金屬化層接觸。

根據(jù)實(shí)施例，柵極金屬化層僅與第二區(qū)域和上述至少一個(gè)多孔硅棒電接觸。

根據(jù)實(shí)施例，三端雙向可控硅開關(guān)包括：第一多孔硅棒，具有與主金屬化層的上述第一部分接觸的第一端；以及第二多孔硅棒，具有與主金屬化層的上述第二部分接觸的第二端。

根據(jù)實(shí)施例，三端雙向可控硅開關(guān)包括棒，該棒具有在上述第一區(qū)域中延伸的第一部分并且具有在上述層的上述部分中延伸的第二部分。

另一實(shí)施例提供一種具有豎直結(jié)構(gòu)的晶閘管，其在硅襯底的上側(cè)表面上包括：置于形成在第二傳導(dǎo)類型的層中的第一傳導(dǎo)類型的第一區(qū)域上的主金屬化層；置于第二區(qū)域上的柵極金屬化層，第二區(qū)域由在上述第一區(qū)域的附近形成在上述層中的第一傳導(dǎo)類型的多孔硅或摻雜的硅制成；以及形成在上述層中的至少一個(gè)多孔硅棒，上述棒的第一端與柵極金屬化層接觸，并且上述棒的第二端與主金屬化層接觸。

根據(jù)實(shí)施例，在其第一端與第二端之間，棒包括在上述第一區(qū)域中延伸的部分。

通過本實(shí)用新型的技術(shù)方案至少解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的部分問題并且達(dá)到了相應(yīng)的技術(shù)效果。

附圖說明

將結(jié)合附圖在具體實(shí)施例的以下非限制性描述中詳細(xì)討論以上以及其它特征和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中：

圖1先前已經(jīng)描述并且對(duì)應(yīng)于公開第2015/0108537號(hào)的圖7；

圖2先前已經(jīng)描述并且對(duì)應(yīng)于公開第2012/0250200號(hào)的圖3(a)；

圖3A到3C示意性地示出保護(hù)以防溫度增加的三端雙向可控硅開關(guān)的實(shí)施例；

圖4示意性地示出圖3A到3C的三端雙向可控硅開關(guān)的替代實(shí)施例；以及

圖5A和5B示意性地示出保護(hù)以防溫度增加的晶閘管的實(shí)施例。

具體實(shí)施方式

在各種附圖中，相同的元件用相同的附圖標(biāo)記來表示，并且另外，各種附圖沒有按比例。

在以下描述中，術(shù)語“右手”、“上部”、“下部”等指代所涉及的元件在對(duì)應(yīng)附圖中的方位。除非另外提及，否則表達(dá)“布置在……上”以及“置于……上”表示布置在……上并且與其接觸以及“置于……上并且與其接觸”。

圖3A、3B和3C示意性地示出保護(hù)以防過熱的三端雙向可控硅開關(guān)40的實(shí)施例。圖3A是俯視圖，圖3B和3C是沿著圖3A的相應(yīng)平面AA和BB的橫截面視圖。

三端雙向可控硅開關(guān)40包括交替?zhèn)鲗?dǎo)類型(分別為PNP)的硅層41、43和45，其分別對(duì)應(yīng)于關(guān)于圖1描述的三端雙向可控硅開關(guān)1的層7、襯底3和層5。上部P層45中形成有重?fù)诫sN型硅區(qū)域47(N⁺)，下部P層41中形成有重?fù)诫sN型硅區(qū)域49(N⁺)。在三端雙向可控硅開關(guān)40的角落處，在上部P層45中在N⁺區(qū)域47的附近形成有重?fù)诫sN型硅區(qū)域51(N⁺)。在本實(shí)施例中，N⁺區(qū)域51在俯視圖中具有正方形形狀。另外，N⁺區(qū)域47在俯視圖中具有包括切削角(在圖3A的右手側(cè))和相對(duì)N⁺區(qū)域51的三角形形狀。雖然這在圖3A到3C中沒有示出，N⁺區(qū)域49占據(jù)在俯視圖中基本上與由N⁺區(qū)域47所占據(jù)的區(qū)域互補(bǔ)的區(qū)域。

上部主金屬化層A1置于層和/或區(qū)域41、43、45、47、49和51的堆疊的上表面上，跨著N⁺區(qū)域47和上部P層45。主金屬化層A2置于堆疊的下表面上，跨著N⁺區(qū)域49和上部P層41。柵極金屬化層G置于N⁺區(qū)域51上。絕緣層53布置在堆疊的上表面和下表面上，并且界定金屬化層A1、A2和G與堆疊的半導(dǎo)體區(qū)域和/或?qū)又g的電接觸的表面。電接觸表面由圖3A中的虛線55來界定。

三端雙向可控硅開關(guān)40還包括由形成在P層45中的多孔硅制成的兩個(gè)棒57和59。棒57的一端57A被布置在N⁺區(qū)域51中并且與柵極金屬化層G接觸，棒57的另一端57B被布置在N⁺區(qū)域47中并且與主金屬化層A1接觸。棒59的一端59A被布置在N⁺區(qū)域51中并且與柵極金屬化層G接觸，棒59的另一端59B被布置在P層45的部分中，在P層45的部分上停留有金屬化層A1的部分，端59B與主金屬化層A1的該部分接觸。在其端部之間，棒57和59涂敷有上部絕緣層53。因此，雖然棒57的部分在N⁺區(qū)域51中延伸，并且棒59的部分在涂敷有金屬化層A1的P層的部分中延伸，然而棒57和59的這些部分與金屬化層A1沒有電接觸。另外，柵極金屬化層G僅與N⁺區(qū)域51以及棒57和59的端部57A和59A電接觸。

考慮在端子A1與A2之間施加電勢(shì)差的情況。如果正的或者負(fù)的柵極電流IGK(絕對(duì)值)大于在端子G與A1之間流動(dòng)的三端雙向可控硅開關(guān)40的接通電流，則電流IGK基本上流經(jīng)多孔硅棒57和59，這在端子G與A1之間形成電阻器RGK。對(duì)于低溫，電阻RGK高，從而端子G與A1之間的電壓VKG足以接通三端雙向可控硅開關(guān)40。然而，當(dāng)三端雙向可控硅開關(guān)40過熱時(shí)，電阻RGK減小，因此端子G與A1之間的電壓VGK不再足以接通三端雙向可控硅開關(guān)40，三端雙向可控硅開關(guān)40保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。

在電極G與A1之間設(shè)置多孔硅棒57和59從而使得能夠避免三端雙向可控硅開關(guān)40一旦過熱則變得具有傳導(dǎo)性。

應(yīng)當(dāng)理解，以相同的方式，在根據(jù)期望的接通條件來選擇三端雙向可控硅開關(guān)40的不同半導(dǎo)體區(qū)域的摻雜水平和尺寸時(shí)，也選擇棒57和59的多孔性和尺寸，使得三端雙向可控硅開關(guān)40在給定溫度門限以上不再接通。對(duì)于給定溫度門限，可以借助于本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)前所使用的仿真工具來確定棒57和59的多孔性和尺寸。多孔硅區(qū)域、例如棒在摻雜半導(dǎo)體層中的形成例如在公開第2015/0108537號(hào)中有描述。

有利地，棒57和59具有小的體積，并且優(yōu)選地最接近遭受最強(qiáng)溫度增加的三端雙向可控硅開關(guān)40的區(qū)域延伸。另外，與如圖2所示出的由肖克利二極管來執(zhí)行保護(hù)以防過熱的情況相反，棒57和59使得能夠保護(hù)三端雙向可控硅開關(guān)40以防過熱，而不管其操作象限如何。

上文中所描述的三端雙向可控硅開關(guān)40可以被視為反并聯(lián)組裝的兩個(gè)晶閘管，第一晶閘管包括層47、45、43和41，第二晶閘管包括層49、41、43和45。棒57對(duì)第一晶閘管的過熱更敏感，并且棒59對(duì)第二晶閘管的過熱更敏感。上文中所描述的保護(hù)以防過熱因此有利地使得能夠?qū)⒃谛纬扇穗p向可控硅開關(guān)40的晶閘管中的某個(gè)晶閘管或另一晶閘管中發(fā)生的溫度增加考慮在內(nèi)。

圖4是圖3A到3C的三端雙向可控硅開關(guān)的替代實(shí)施例的俯視圖。

圖4的三端雙向可控硅開關(guān)60與圖3A到3C的三端雙向可控硅開關(guān)40包括相同的元件，其中不同之處在于，多孔硅棒57和59被單個(gè)多孔硅棒61所代替。棒61的一端61A被布置在N⁺區(qū)域51中并且與柵極金屬化層G接觸。棒61的另一端61B被布置在P層45中并且與主金屬化層A1接觸。在其端部61A與61B之間，棒包括在P層45和N⁺區(qū)域47中延伸的部分。棒61的這一部分的大致第一半在P層45中延伸，并且棒61的這一部分的大致第二半在N⁺區(qū)域47中延伸。在端部61A與61B之間，棒涂覆有絕緣層53。因此，棒61在P層和N⁺區(qū)域47中延伸的部分與金屬化層A1沒有電接觸。在圖4的三端雙向可控硅開關(guān)40中，柵極金屬化層G僅與N⁺區(qū)域51以及棒61的端部61A電接觸。

有利地，棒61的端部61B被布置在三端雙向可控硅開關(guān)的基本中央?yún)^(qū)域，也就是，在最可代表三端雙向可控硅開關(guān)溫度的區(qū)域。

圖5A和5B示意性地示出保護(hù)以防溫度增加的晶閘管70的實(shí)施例。圖5A是俯視圖，圖5B是沿著圖5A的平面AA的橫截面視圖。

晶閘管70包括具有交替?zhèn)鲗?dǎo)類型(分別為PNP)的硅層41、43和45。上部P層45的主部分中形成有重?fù)诫sN型硅區(qū)域71(N⁺)。在俯視圖中，N⁺區(qū)域71具有例如基本上正方形的形狀。上部主金屬化層A1置于N⁺區(qū)域71上，下部主金屬化層A2置于下部P層41上。在晶閘管的角落處，柵極金屬化層G置于形成在上部P層45中的重?fù)诫sN型區(qū)域72(N⁺)上。應(yīng)當(dāng)注意，在這樣的配置中，晶閘管可以通過正柵極電流和負(fù)柵極電流二者來被接通，然而對(duì)于其中僅正的接通才是可能的傳統(tǒng)的晶閘管卻不是這樣的。作為變型，區(qū)域72可以由多孔硅而非重?fù)诫sN型硅(N⁺)制成。在本實(shí)施例中，絕緣層53被布置在堆疊的上表面和下表面上，并且界定金屬化層A1、A2和G與堆疊的半導(dǎo)體區(qū)域和/或?qū)又g的電接觸的表面。電接觸表面由圖5A中的虛線55來界定。

層45中形成有多孔硅棒73。棒73的一端73A被布置在金屬化層G下面并且與金屬化層G接觸，棒73的另一端73B布置在金屬化層A1下面并且與金屬化層A1接觸。在棒73的端部73A與73B之間，棒73涂敷有絕緣層53。因此，雖然在其端部73A與73B之間，棒73包括在N⁺區(qū)域71中延伸的部分，然而這一部分與金屬化層A1沒有電接觸。另外，柵極金屬化層G僅與區(qū)域72以及棒73的端部73A電接觸。

在操作中，類似于針對(duì)圖3A到圖4的三端雙向可控硅開關(guān)所描述的，當(dāng)端子G與A1之間有柵極電流IGK流經(jīng)時(shí)，該電流基本上流經(jīng)棒73，其在這些端子之間形成電阻器RGK。對(duì)于正常操作溫度，等效電阻器RGK具有高的值。因此，當(dāng)電流IGK大于標(biāo)稱晶閘管接通電流時(shí)，金屬化層G與A1之間的電壓降VGK足以接通晶閘管。然而，當(dāng)晶閘管過熱時(shí)，電阻RGK減小，從而金屬化層G與A1之間的電壓降VGK不再足以接通晶閘管，晶閘管保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。

有利地，棒73的端部73B被布置在N⁺區(qū)域71的基本上中央?yún)^(qū)域，也就是在遭受最強(qiáng)溫度增加的晶閘管區(qū)域。

按照與先前所描述的三端雙向可控硅開關(guān)40相同的方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以修改棒73在晶閘管70中被布置的方式，使得棒最接近遭受最強(qiáng)溫度增加的晶閘管區(qū)域。還可以提供在晶閘管中布置多于一個(gè)多孔硅以對(duì)在晶閘管的不同區(qū)域發(fā)生的溫度增加敏感。

作為示例，在10³到10⁴ohm.cm的范圍中選擇棒57、59、61和73的多孔硅在25℃下的電阻率。另外，在形成集成功率部件、諸如先前使用硅描述的部件的技術(shù)方法中，不同的層和/或區(qū)域的厚度為：

-對(duì)于區(qū)域47、49、51和71，從5到20μm，例如為10μm，

-對(duì)于層41和45，從10到50μm，例如為35μm，

-對(duì)于棒57、59、61和73，從10到25μm，例如為15μm，以及

-對(duì)于層43，從50到200μm，例如為100μm。

摻雜濃度例如是：

-對(duì)于輕摻雜N型層43(N^-)，在1014到1015at./cm3的范圍內(nèi)，

-對(duì)于重?fù)诫sN型區(qū)域47、49、51和71(N⁺)，在1020at./cm3的數(shù)量級(jí)，以及

-對(duì)于P型層41和45，在5.107到5.1018at./cm3的范圍內(nèi)

更一般地，相對(duì)而言，棒57、59、61和73的厚度例如在層45的厚度的0.5到1倍的范圍內(nèi)。

已經(jīng)描述了具體實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)想到各種替代、修改和改進(jìn)。特別地，雖然描述了區(qū)域47、49、51、71和73以及金屬化層G、A1和A2的具體形狀，然而應(yīng)當(dāng)理解，這些形狀可以修改。例如，在圖5A和5B的晶閘管70中，N⁺區(qū)域71可以被發(fā)射極短路所中斷，發(fā)射極短路也就是P層45的材料變?yōu)榕c金屬化層A1接觸的區(qū)域。雖然描述了柵極金屬化層關(guān)于主金屬化層A1的具體布置，然而上文所描述的實(shí)施例可以被適配成金屬化層G和A1的其它布置，例如被適配成具有中央柵極的結(jié)構(gòu)。

以上描述使用直線棒來說明。然而，應(yīng)當(dāng)理解，棒可以彎曲或波動(dòng)。

這樣的替代、修改和改進(jìn)旨在作為本公開的部分，并且旨在處于本實(shí)用新型的精神和范圍內(nèi)。因此，以上描述僅作為示例，而非旨在作為限制。本實(shí)用新型僅如以下權(quán)利要求及其等同方案中所定義地被限制。