在控制電極189處的電壓在輔助單元AC的閾值電壓VthA。以下時(shí)，ρ型反型層184在勢(shì)壘區(qū)和漂移區(qū)117、120中沿著控制結(jié)構(gòu)180被形成，其中反型層184增加了有效的陽(yáng)極面積和陽(yáng)極發(fā)射極效率。在負(fù)的第一閾值電壓VtM。以上時(shí)，沒(méi)有反型層被形成，并且有效的陽(yáng)極發(fā)射極面積和陽(yáng)極發(fā)射極效率較低。至少在高達(dá)第二閾值電壓Vth時(shí)，在此電壓Vth下η型反型層可在電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)115中被形成，半導(dǎo)體二極管501維持其完整的反向阻斷能力，從而半導(dǎo)體二極管501能夠從正向?qū)Ｊ街械娜ワ柡推谥苯拥剞D(zhuǎn)換成反向阻斷模式。
[0076]勢(shì)壘區(qū)117以良好可控的方式增加反型狀態(tài)和非反型狀態(tài)中陽(yáng)極發(fā)射極效率之間的伸展(spread)或差值，從而去飽和期的效率能以明確定義的方式被增加。
[0077]根據(jù)實(shí)施例,勢(shì)魚區(qū)117包括至少一個(gè)深層施主(deep level donor)或深雙施主(deep double donor),例如,硫和/或硒原子/離子。對(duì)于深層施主,摻雜水平隨著溫度的增加而增加，其中局部增加的摻雜水平局部地降低陽(yáng)極發(fā)射極效率，并且因此抵消了在平行的輔助單元之間的非均勻電流分布。
[0078]圖2B示出了應(yīng)用于控制電極189 (例如，穿過(guò)控制端CTR)的控制信號(hào)Ucm的時(shí)序圖。在to和tl之間的注入期中，控制信號(hào)Uctk低于第一閾值電壓VtM。，從而沿著控制結(jié)構(gòu)180的ρ型反型層184增加了有效陽(yáng)極面積。在漂移區(qū)120中的電荷載流子等離子高，并且有效的正向電阻以及正向電壓Uf低。在tl和t2之間的去飽和期間，控制信號(hào)Uctk的電壓在第一閾值VthAC之上，并且可在第二閾值電壓Vth以下。沒(méi)有反型層被形成，并且有效陽(yáng)極發(fā)射極面積小。電荷載流子等離子被衰減，導(dǎo)致增加的正向電壓Ufo
[0079]當(dāng)在時(shí)間t2處半導(dǎo)體二極管換向并且切換至反向阻斷模式時(shí)，反向恢復(fù)電荷低，并且開關(guān)損耗被降低。在半導(dǎo)體二極管501切換回正向偏置模式之前，在反向阻斷模式期間，控制信號(hào)Uctr能夠被減少至在t3時(shí)在第一閾值電壓VthA。以下。
[0080]與為了提供高的陽(yáng)極發(fā)射極效率狀態(tài)和低的陽(yáng)極發(fā)射極效率狀態(tài)之間的高伸展的、旨在減低有效陽(yáng)極劑量的途徑相比，勢(shì)壘區(qū)117允許更高的陽(yáng)極劑量，這在制造期間更易于控制。
[0081]圖3A中的RC-1GBT 502包括如參考圖1和圖2A所描述的可控的輔助單元AC，其中第一負(fù)載端310被電連接至發(fā)射極端子E，第二負(fù)載端320被電連接至集電極端子C，并且基座層130包括第一導(dǎo)電類型的第一區(qū)131和第二導(dǎo)電類型的第二區(qū)132，其中第一區(qū)和第二區(qū)131、132分別地被夾在漂移區(qū)120和第二負(fù)載電極320之間。
[0082]除了輔助單元AC以外，RC-1GBT 502包括晶體管單元TC，并且可包括或者可不包括閑置單元1C。每個(gè)晶體管單元TC包括半導(dǎo)體主體100的晶體管臺(tái)面部分192以及從第一表面101延伸進(jìn)入半導(dǎo)體主體100中的柵極結(jié)構(gòu)150。柵極結(jié)構(gòu)150包括導(dǎo)電的柵極電極159和使柵極電極159與周圍的半導(dǎo)體主體100的材料絕緣的柵極介電層155。
[0083]柵極結(jié)構(gòu)150的形狀和尺寸可對(duì)應(yīng)于控制結(jié)構(gòu)180的形狀和尺寸，例如可等于控制結(jié)構(gòu)180的形狀和尺寸。柵極介電層和控制介電層155、185可具有相同厚度，并且可由相同的材料提供。柵極電極159的橫向延伸和垂直延伸可與控制電極189的相同。柵極電極和控制電極159、189可由相同材料提供。柵極頂部介電層158可使柵極電極159與第一表面101分開。
[0084]晶體管臺(tái)面部分192包括與漂移區(qū)120形成pn結(jié)的ρ型體區(qū)115a，其中體區(qū)115a可大約對(duì)應(yīng)于輔助單元AC的電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)115。例如，晶體管單元TC的體區(qū)115a的平均雜質(zhì)濃度和垂直延伸可大約對(duì)應(yīng)于或者可等于電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)115的平均雜質(zhì)濃度和垂直延伸。
[0085]每個(gè)晶體管單元TC包括在晶體管臺(tái)面部分192的頂表面和體區(qū)115a之間的在晶體管臺(tái)面部分192中的源區(qū)110，其至少在晶體管臺(tái)面部分192的直接鄰接晶體管單元TC的柵極結(jié)構(gòu)150的部分中。晶體管體區(qū)115a直接鄰接漂移區(qū)120。晶體管臺(tái)面部分192可沒(méi)有對(duì)應(yīng)于輔助單元AC的勢(shì)壘區(qū)117的結(jié)構(gòu)，或者可包括對(duì)應(yīng)的勢(shì)壘區(qū)。
[0086]半導(dǎo)體器件500可進(jìn)一步包括閑置單元1C，該閑置單元IC包括可對(duì)應(yīng)于輔助單元AC的控制結(jié)構(gòu)180和/或晶體管單元TC的柵極結(jié)構(gòu)150的閑置結(jié)構(gòu)190。鄰接閑置結(jié)構(gòu)190的閑置臺(tái)面部分196可沒(méi)有對(duì)應(yīng)于電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)和體區(qū)115、115a、源區(qū)110和/或勢(shì)壘區(qū)117的區(qū)域。閑置臺(tái)面部分196可被電連接至或者可不電連接至第一負(fù)載電極310。
[0087]輔助單元AC的控制電極180可彼此電連接，并且可被電連接至內(nèi)部電路的輸出端或者RC-1GBT 502的控制端CTR。閑置單元IC的控制電極195可被電連接或者電耦接至輔助單元AC的控制電極180、晶體管單元TC的柵極電極150、第一負(fù)載電極310或者RC-1GBT502的任何其他內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。
[0088]半導(dǎo)體器件502被布置以不形成穿過(guò)電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)115的反型路徑。例如，控制電極180不被電連接至被施加了超過(guò)閾值電壓的信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，該閾值電壓是為了在P型電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)115中形成η型反型層?？商鎿Q地，頂部介電層188可沿垂直方向與電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)115重疊，或者輔助臺(tái)面部分194在第一表面101和電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)115之間沒(méi)有源區(qū)。
[0089]當(dāng)正的集電極-發(fā)射極電壓Uce被應(yīng)用在集電極端子和發(fā)射極端子C、E之間時(shí)，RC-1GBT 502在正向模式中。如果應(yīng)用于柵極電極150的電壓超過(guò)用于晶體管單元TC的閾值電壓Vth，則η型反型溝道被形成并穿過(guò)體區(qū)115a，并且流經(jīng)體區(qū)115a的電流打開了在正向?qū)Ｊ街性诨鶎?30中由體區(qū)115a、漂移區(qū)120和ρ型第二區(qū)132形成的ρηρ雙極型結(jié)晶體管。
[0090]在互補(bǔ)的正向阻斷模式中，應(yīng)用于柵極電極150的電壓低于晶體管單元TC的閾值電壓vth，并且體區(qū)和漂移區(qū)115a、120之間的反向偏置pn結(jié)供應(yīng)了正向阻斷電壓。
[0091]在反向?qū)Ｊ交蛘叨O管模式中，應(yīng)用在集電極和發(fā)射極之間的負(fù)的集電極-發(fā)射極電壓Uce正向偏置體區(qū)和漂移區(qū)115a、120之間的pn結(jié)以及電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)和漂移區(qū)115、120之間的pn結(jié)。在二極管模式的注入期中，低于第一閾值電壓VthAC的控制信號(hào)UCTR的負(fù)電壓沿著控制結(jié)構(gòu)180在勢(shì)壘區(qū)和漂移區(qū)117、120之間產(chǎn)生ρ型反型層184。反型層184增加了有源陽(yáng)極面積和總的陽(yáng)極發(fā)射極效率。
[0092]在隨后的去飽和期中，控制信號(hào)Ucir的電壓高于低于第一閾值電壓V.，從而總的有效陽(yáng)極發(fā)射極效率被降低。去飽和由被施加給柵極電極159的電壓去耦。從反向?qū)Ｊ较蛘蜃钄嗄Ｊ睫D(zhuǎn)換能夠直接跟隨在去飽和期之后，而不需要去飽和期結(jié)束和換向開始之間的任何時(shí)間延遲。
[0093]通過(guò)對(duì)比，常規(guī)途徑依賴于應(yīng)用于柵極電極并且產(chǎn)生穿過(guò)體區(qū)115a的η型反型溝道的去飽和期，其中η型反型溝道短路ρ型體區(qū)和電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)115a、115，以徹底地減少總的陽(yáng)極發(fā)射極效率。由于η型反型溝道預(yù)防晶體管單元TC調(diào)節(jié)應(yīng)用(例如，半橋電路)中的高阻斷電壓，可在去飽和期結(jié)束和換向開始之間提供足夠的時(shí)間延遲。由于在該時(shí)間延遲期間電荷載流子等離子體至少部分地恢復(fù)，時(shí)間延遲降低了總體去飽和的性能。
[0094]此外，在常規(guī)RC-1GBT中，即使當(dāng)被短路的體區(qū)115a并不注入任何電荷時(shí)，一些區(qū)域必須保留有源性，如在去飽和期間向電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)注入。因此，在常規(guī)設(shè)計(jì)中，其他的注入?yún)^(qū)的陽(yáng)極效率必須仔細(xì)地調(diào)節(jié)，從而在去飽和期期間被注入至漂移區(qū)120之中的空穴的數(shù)量必須足夠高，并且去飽和效率必須足夠高。
[0095]用于降低注入?yún)^(qū)中的陽(yáng)極效率的現(xiàn)有方法目的在于降低電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)115中的有效陽(yáng)極劑量，例如，通過(guò)降低注入劑量和/或在注入之后移除電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)115的部分。然而，可靠地控制小的陽(yáng)極劑量已經(jīng)被證明是具有有低產(chǎn)出的細(xì)致過(guò)程。相反，勢(shì)壘區(qū)117減少了輔助單元AC的陽(yáng)極發(fā)射極效率，而不減少電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)115中的有效陽(yáng)極劑量，因此避免了具有低產(chǎn)出的關(guān)鍵過(guò)程。
[0096]此外，勢(shì)壘區(qū)117提供用于電荷載流子等離子的空穴的電勢(shì)勢(shì)壘，并且顯著地降低在IGBT模式中的輔助單元AC對(duì)器件性能的負(fù)面影響。
[0097]提供晶體管單元TC，其具有勢(shì)壘區(qū)117或?qū)?yīng)于輔助單元AC中的勢(shì)壘區(qū)117的第一導(dǎo)電類型的任何其他的區(qū)，或者其不具有勢(shì)壘區(qū)117或該其他的區(qū)。根據(jù)實(shí)施例，晶體管單元TC可沒(méi)有勢(shì)壘區(qū)117或任何類似的區(qū)，從而晶體管單元TC保持不受輔助單元AC的設(shè)計(jì)的影響。
[0098]圖3B示意性地示出了在時(shí)間tl處從注入到去飽和期間的轉(zhuǎn)變，以及在t2處隨著從負(fù)的集電極-發(fā)射極電壓Uce向正的電壓Uce變化的集成續(xù)流二極管的轉(zhuǎn)換的開始。通過(guò)施加具有高于晶體管單元TC的閾值電壓Vth的電壓的柵極信號(hào)Ue，在晶體管單元TC中打開η型溝道從去飽和期間被去耦。在轉(zhuǎn)換開始時(shí)，及時(shí)轉(zhuǎn)換與去飽和期同時(shí)發(fā)生，也不存在提供電荷載流子路徑的η型反轉(zhuǎn)溝槽。
[0099]圖4Α的RC-1GBT 503區(qū)別于圖3Α的RC-1GBT 502，區(qū)別之處在于柵極電極和控制電極150、180彼此電連接。柵極電極和控制電極150、180可被電連接至柵極端子G或者RC-1GBT 503的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(例如驅(qū)動(dòng)器或者延遲電路的輸出端)。輔助單元AC被布置為，當(dāng)應(yīng)用于柵極電極和控制電極150、180的柵極信號(hào)Ug的電壓超過(guò)晶體管單元TC的閾值電壓Vth時(shí)，不形成穿過(guò)電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)115的反型電流路徑。例如，第一表面101和控制電極180之間的頂部介電層可沿垂直方向與電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)115重疊，或者輔助臺(tái)面部分194在第一表面101和電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)115之間可以沒(méi)有源區(qū)。
[0100]根據(jù)實(shí)施例，勢(shì)壘區(qū)117包括至少一個(gè)深層施主或深雙施主(例如，硫(S)和/或硒(Se)原子/離子)。對(duì)于深層施主，摻雜水平隨著溫度增加而增加，其中增加的摻雜水平減少了陽(yáng)極發(fā)射極效率，并因此抵消了在平行的輔助單元AC之間的非均勻電流分布。
[0101]圖4Β示出了說(shuō)明圖4Α的RC-1GBT 503的運(yùn)行模式的時(shí)序圖。當(dāng)柵極信號(hào)的電壓Ue處于輔助單兀AC的第一閾值電壓VthA。以下(例如,在Ue = 15V時(shí))，在反向?qū)Ｊ街?，RC-1GBT 503的有效陽(yáng)極面積被顯著地增加，并且RC-1GBT 503處于注入模式中。
[0102]在tl處，柵極信號(hào)的電壓Ue被增加至在輔助單元AC的閾值電壓VthAC以上并且在晶體管單元TC的閾值電壓Vth以下，以開始去飽和期。在去飽和電壓下控制輔助單元AC的陽(yáng)極效率實(shí)現(xiàn)了輔助單元AC與晶體管單元TC的比率具有充裕范圍(例如,從1:10到10:1的范圍)。在去飽和期間，該器件保持其完全的反向阻斷能力。在去飽和期結(jié)束和RC-1GBT503的轉(zhuǎn)換開始之間的時(shí)間延遲能夠被完全地省略，而沒(méi)有引起短路情況的風(fēng)險(xiǎn)。時(shí)間延遲的省略導(dǎo)致高效的去飽和。
[0103]圖4C示出了每?jī)蓚€(gè)晶體管單元TC具有4個(gè)輔助單元AC