和10個閑置單元IC的RC-1GBT 504。輔助單元和晶體管單元AC、TC由相同的柵極信號Ue控制。閑置控制單元IC的閑置電極可被連接至由第一負載電極310表示的發(fā)射極電極的電勢。晶體管單元TC的晶體管臺面部分192包括源區(qū)110。在漂移區(qū)和體區(qū)120、115a之間，晶體管單元TC沒有勢壘區(qū)或沒有具有高于漂移區(qū)120的雜質(zhì)濃度的第一類型的其他區(qū)。輔助單元AC在第一表面101和電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)115之間沒有源區(qū)或者第一導電類型的其他區(qū)。閑置單元IC可沒有輔助單元和晶體管單元AC、TC的區(qū)中的任何一種，和/或可不被連接至第一負載電極310，從而其既不是有效的輔助單元AC，也不是有效的晶體管單元TC。
[0104]鄰接控制結(jié)構(gòu)180的負載臺面部分194包括在輔助臺面部分194的整個橫向橫截面區(qū)域之上延伸的埋置勢壘區(qū)117。至少此鄰接晶體管單元TC的閑置控制結(jié)構(gòu)190可被電連接至發(fā)射極電勢，以在IGBT切換期間減少柵極電勢上高電流的反饋效應。
[0105]圖4D涉及具有晶體管單元TC、閑置單元IC和輔助單元AC的另外的RC-1GBT 505。為避免OV時在鄰近晶體管TC的臺面中的大量的空穴注入，半個勢壘區(qū)117可在相關(guān)的臺面中被實施，導致晶體管臺面部分192朝向柵極結(jié)構(gòu)150并且閑置臺面部分196沿著閑置結(jié)構(gòu)190。在垂直于橫截面的橫向方向使用被遮蔽的區(qū)域以限制短路電流的IGBT中，完全埋置的區(qū)域170可在被遮蔽區(qū)域中被實施。表格給出了在體區(qū)115a、勢壘區(qū)117的部分和漂移區(qū)120的部分中的峰值雜質(zhì)濃度。
[0106]圖4E示意性地示出了在η型勢壘區(qū)117的雜質(zhì)劑量為3x 112 (3E12) cnT2，UG=-15V時圖4D的RC-1GBT 505的反向?qū)ǘO管的二極管特性402，和柵極電壓UG = OV時的二極管特性404。在柵極電壓Ue從-15V向OV增加時，反向二極管的正向電壓Uf的顯著增加表明漂移區(qū)120中的電荷載流子等離子的顯著減少，并且因而，反向恢復電荷大量減少。
[0107]圖4F示出了在Ue = 0V，勢壘層170中雜質(zhì)劑量為Ix 113 (1E13) cnT2、2x1013(2E13)cnT2、3x 113(3E13) cnT2 和 4x 113 (4E13) cnT2 時，圖 4D 的 RC-1GBT 505 中反向?qū)ǘO管的二極管特性411-414。二極管特性410是沒有任何勢壘區(qū)170的參考示例的二極管特性。對于給定的負載電流，集電極-發(fā)射極電壓Ura隨著勢壘區(qū)170中雜質(zhì)劑量的增加而增加。勢壘區(qū)170的注入劑量調(diào)整了正向電壓Uf，并且因此調(diào)整反向恢復電荷。
[0108]圖5A涉及非反向?qū)↖GBT 506 (即沒有集成的反向?qū)ǘO管或續(xù)流二極管)，不同于圖3A和圖3B的RC-1GBT 502，在圖3A和圖3B中基座層130形成第二導電類型的連續(xù)的集電極層。IGBT 506包括晶體管單元TC和輔助單元AC，并且可包括如上所述是閑置單元1C。柵極信號Ue控制晶體管單元TC，并且控制信號Uctk控制輔助單元AC。發(fā)射極電勢或任何其他內(nèi)部電勢不受柵極電壓Ug管制，并且控制電壓Uctk可控制閑置單元1C。
[0109]圖5B示出了在降低的開關(guān)損耗時運行圖5A的IGBT506的方法。
[0110]在IGBT 506的導通狀態(tài)期間，柵極電勢Ue在晶體管單元TC的閾值電壓Vth以上，并且在累積期間，穿過體區(qū)115a的η型反型層向漂移區(qū)中注入電子。P型基座層130向漂移區(qū)120中注入空穴，并且所產(chǎn)生的密集電荷載流子等離子確保了低的集電極-發(fā)射極飽和電壓Vrasattl
[0111]在tl處，控制信號Uctk的電壓被降低在輔助單元AC的第一閾值電壓VthA。以下，以開始去飽和期。沿著控制結(jié)構(gòu)180的P型反型層184從漂移區(qū)120中抽出空穴穿過輔助單元AC的電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)115至第一負載電極310。
[0112]在t2處，柵極信號Ug的電壓可下降至晶體管單元TC的閾值電壓Vth以下，并且IGBT從正向?qū)顟B(tài)或?qū)顟B(tài)變成正向阻斷狀態(tài)或截止狀態(tài)。在正向?qū)ㄆ陂g，在關(guān)斷之前不久，IGBT 506從具有低的Vaisat和高的Etxff的高載流子限制(carrier-confinement)的狀態(tài)，被切換至具有高的Vrasat和低的Etjff的低載流子限制的狀態(tài)。
[0113]通常地，為了增加短路的穩(wěn)健性，IGBT的有效溝道寬度被保持為低，從而有源晶體管單元TC僅在IGBT 506的有源區(qū)域的部分中被形成。輔助單元AC使用芯片區(qū)域，否則該芯片區(qū)別將不被使用并且不需要額外的芯片區(qū)域。
[0114]在圖6A、6C、6D和6E的IGBT 507至IGBT 510中，相同的柵極信號控制輔助單元
AC和晶體管單兀TC兩者。
[0115]圖6A的非反向?qū)↖GBT 507不同于圖5A至圖5B的非反向?qū)↖GBT 506，不同之處在于恒定電壓偏移被應用在晶體管單元TC的控制電極159和輔助單元AC的控制電極189之間。例如，電壓移位器VS可被提供在柵極端子G和連接控制電極189的布線線路之間。RC-1GBT 506可包括具有半導體主體100的第一半導體裸片和包括電壓移位器VS的第二半導體裸片，該半導體主體100包括晶體管單元和輔助單元TC、AC。半導體裸片可以以疊層芯片(chip-on-chip)技術(shù)連接。根據(jù)另一個實施例，RC-1GBT 506是包括印刷電路板或載體的模塊，其中，在印刷電路板或載體上裝配有(例如，錫焊)兩個或多個半導體裸片。
[0116]根據(jù)另一個實施例，IGBT 507包括電連接至柵極電極150的柵極端子G和電連接至控制電極189的控制端子，其中外部電路將被應用于柵極端子G的信號的電壓移位的版本應用于控制端子。
[0117]相對于被應用于柵極電極的柵極電勢，偏移電壓虛擬地變化了輔助單元AC的閾值電壓。被虛擬地或?qū)嶋H地變化的輔助單元AC的閾值電壓允許由集成在與該IGBT相同的半導體裸片上的三級柵極驅(qū)動器控制去飽和，或者該三級柵極驅(qū)動器被提供為輸出端被電連接至圖6A、6C、6D中的IGBT 507至IGBT 509的柵極端子G的單獨的器件。
[0118]輔助單元AC和晶體管單元TC的移位閾值電壓被選擇以在晶體管單元TC的導通狀態(tài)期間，輔助單元AC可從勢壘區(qū)和漂移區(qū)117、120中不具有ρ型反型層的非反型狀態(tài)變化成勢壘區(qū)和漂移區(qū)117、120中具有ρ型反型層的反型狀態(tài)。根據(jù)涉及η溝道IGBT的實施例，輔助單元AC的閾值電壓VthA。被設(shè)置為在晶體管單元TC的閾值電壓Vth以上。
[0119]圖6B中的時序圖示出了當柵極信號Ug的電壓在晶體管單元TC的閾值電壓Vth和輔助單元AC的閾值電壓VthAC以上時，在t0和tl之間的高等離子密集狀態(tài)或累積狀態(tài)。在tl和t2之間的去飽和期中，柵極信號Ug的電壓在輔助單元的閾值電壓VtMC以下，但在閾值電壓Vth以上。當在輔助單元AC的控制結(jié)構(gòu)180四周的ρ型反型層使漂移區(qū)120去飽和時，晶體管單元TC保持在導通狀態(tài)。在t2處，柵極信號Ug的電壓能夠直接從兩個閾值電壓Vth、VtMC之間的電壓轉(zhuǎn)為低于閾值電壓Vth，因此關(guān)斷晶體管單元TC。就在圖6A的非反向?qū)↖GBT 507被關(guān)斷之前，去飽和期減少了漂移區(qū)120中的電荷。
[0120]在圖6C、圖6D的IGBT 508、509中，輔助單元AC的控制介電層185和/或晶體管單元TC的柵極介電層155可包括固定的和穩(wěn)定的電荷，例如，歸因于X射線照射、電子轟擊或使用例如PLAD(等離子體摻雜、等離子浸沒離子注入)在低能量下高劑量注入。照射和電子轟擊在涉及的介電材料的材料中生成深的和穩(wěn)定的電荷載流子阱。根據(jù)另一個實施例，鋁原子可被注入或通過ALD(原子層沉積)被沉積。舉例說明，鋁原子/離子的陣列濃度可以是至少5Ellcm_2，例如至少lE12cm_2，或者可在接近5E12cm_2的范圍內(nèi)?？商鎿Q地或額外地，控制電極和柵極電極189、159可包括涉及η型半導體材料的具有不同功函數(shù)(workfunct1n)的不同材料。
[0121]依照實施例，控制介電層185包括相比于柵極介電層155包含顯著更固定和更穩(wěn)定的負電荷，或者柵極介電層155包含相比于控制介電層185顯著更固定和更穩(wěn)定的正電荷。根據(jù)實施例，在控制介電層185中的固定和穩(wěn)定的負電荷的面積濃度大于5EllcnT2，例如lE12cnT2或者在5E12cnT2的范圍內(nèi)。
[0122]額外地或者可替換地，柵極電極159是基于重摻雜的多晶硅并且/或者控制電極189是基于包含金屬的材料，其功函數(shù)導致在半導體主體100中彎曲的相當大的帶，從而實際的輔助單元AC的閾值電壓VtM。可被設(shè)置為在晶體管單元TC的閾值電壓Vth(可以是約+5V)和在柵極線處可獲得的最大電壓(可以是+15V)之間的值。在典型的應用中，閾值電壓VthA?？杀辉O(shè)置為+12V。在Ue = +15V時的高導通狀態(tài)或累積期可緊接著是在Ue = OV或更低Ug = -15V時的關(guān)斷之前的在Ug = 1V時的去飽和期(例如3 μ s)。
[0123]圖6C的IGBT 508包括輔助單元AC的對、閑置單元IC的對和晶體管單元TC的對，以該順序沿著至少一個橫向方向布置。每個單元對中的單元被布置為相對于穿過各控制結(jié)構(gòu)或柵極結(jié)構(gòu)150、180、190的垂直軸，彼此鏡面對稱?？刂平殡妼?89包括靜止的負電荷187。
[0124]圖6D的IGBT 509包括輔助單元AC的對和晶體管單元TC的對，以該順序沿著至少一個橫向方向布置。每個單元對中的單元被布置為相對于穿過各輔助臺面部分或晶體管臺面部分192、194的垂直軸，彼此鏡面對稱?？刂平殡妼?85包括固定的靜止電荷。
[0125]圖6E的實施例涉及去飽和期的內(nèi)部控制。例如，晶體管單元TC的柵極電極159可被電連接至柵極布線線路或節(jié)點152，并且輔助單元AC的控制電極189可被電連接至控制布線線路或者節(jié)點182?？刂撇季€線路182可被直接連接至柵極端子G。柵極端子G和柵極布線線路152之間的低通電路可相對于應用于控制電極189的信號，延遲應用于柵極電極159的信號。有該低通電路定義的延遲定義了圖6B的去飽和期t2-tl的長度。低通電路可由柵極布線線路152和柵極端子G之間的串聯(lián)電阻R組成，或者可包括該串聯(lián)電阻R0
[0126]圖7的半導體二極管511區(qū)別于圖2A的半導體二極管501之處在于:控制電極189被電連接至固定的電勢(例如，第一負載電極310)。勢壘區(qū)117允許有效的陽極摻雜被增加，而在正常的正向?qū)ㄆ陂g不增加半導體主體中的電荷載流子等離子?？刂平Y(jié)構(gòu)180可以以適當?shù)姆椒ㄔ谂_面部分中形成電場。
[0127]在圖8中，非去飽和、非反向?qū)ǖ腎GBT 512包括閑置的輔助單元AC，其控制電極195被電連接至固定的電勢(例如，第一負載電極310)。在勢壘區(qū)117中的雜質(zhì)濃度足夠高的情況下，閑置的輔助單元AC在IGBT模式下不工作的。另一方面，更多的接觸結(jié)構(gòu)305直接連接第一負載電極310與半導體主體100,從而半導體主體100和第一負載電極310之間的熱耦接相對于常規(guī)器件可被顯著地增加，常規(guī)器件通常并不向閑置單元的半導體區(qū)提供任何接觸結(jié)構(gòu)。非飽和的非反向?qū)?