TW201236139A - Semiconductor device - Google Patents

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201236139 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及半導體技術領域，尤其涉及大功率元件。 【先前技術】 通㊉的垂直型高壓半導體元件，需要高電阻率的半導 體材料做耐壓區（voltage-sustaining region)。 現有技術中，在閘流體、GTO ( Gate Turn-Off Thyristor，閘控閘流體）、MCT ( m〇s控制閘流體）等元 件中由於採用了非平衡載流子，使高電阻率的财壓區 (voltage-sustaining region)的導通壓降大大下降。 在利用外接信號控制元件夾止的GTO和MCT中，通 常會遇到電流集中效應’從而導致元件損壞。這是因爲， 這類元件本身利用了再生效應，每個局部或每個元胞的電 壓稱有增加，該局部或該元胞的電流就大大增加，從而導 致電流集中。這個效應使元件可靠性大大降低。 參考文獻 [1] 陳星弼，「一 種高速 IGBT」，ZL200910119961.3 , 及 U.S.Appl· No.12/712,583(2010); [2] 陳星弼’ 「一種用於半導體器件的表面耐壓區」， ZL 95108317.1 ’ 及 U.S.5,726,469 A ; [3] 陳星弼，「低壓電源」，中國專利申請號 201010000034.2 ’ 公佈號 CN101719721 A，公開日 2010.06.02 〇 201236139 【發明内容】 本發明的目的之一是：在穩態的導通情形下，電流隨 元件耐高壓的兩端的外加電壓增加而劇烈增加；外加電壓 的進一步增加’電流趨向飽和。此飽和電流隨控制導通的 信號的改變而改變。 本發明的目的之二是：當元件原處於夾止而有控制導 通的信號時，從夾止到導通的時間段落中及達到完全導通 之後的時間中元件不産生電流集中效應。 本發明的目的之二是.當元件原處於導通而有控制夾 止的信號時’從導通到夾止的時間段落中元件不產生電流 集中效應。 本發明的目的之四是：當元件夾止時，兩種載流子在 耐壓區（voltage-sustaining region)的數量逐漸減少是依靠 消除兩種載流子向耐壓區（這時爲漂移區）的注入。這種 方法可達到快速夾止的目的。 以下提供具體實施例對本發明的内容進行描述。 1 ·本發明的實施例提供一種半導體元件，它的工作區 在-塊半導體的第一主表面（各圖中在半導體最上的表面) 與第二主表面（各圖中在半導體最下的表面）之間，含有 苐一類το胞（cell)或第二類元胞或第三類元胞或同時含有任 何兩類或全部三類元胞； 所述第一類元胞的特徵（圖]、圖2、圖3、圖4、圖5、 圖6、圖7、圖8、圖9、圖1〇、圖杓和圖12)在於： 第一個Ν區（各圖中的11〇，或11〇與1〇3 一起）作 4 201236139 爲主耐壓區’該區的全部或絕大部分範圍是輕摻雜的； 所述第-個N區的一面與—個較重摻雜的第一個p區 (各圖…〇”相連接；所述第一個4的另一 二個P區（各圖中的12〇)相連接； 、 所述第二個P區（各圖中的12〇)的另一面至少有一 部分與一個第二個N區（各圖中的13〇)相連接； 所述第一個N區（各圖中的盘货 Μ 丁叼Ί )與第一個受控制的 電流源（各圖中的200 )的第一追相搁姑 β 乐垾相聯接，所述第二個Ρ 區（各圖中的120)還有另一部分與第二個受控制的電流源 (各圖中的300)的第一埠相聯接，所述第_個和第二個受 控的兩個電流源的兩個第二埠聯接在一起且均聯接到第一 個導體’肖第-個導體作爲兩個被控制的電極的第一 極（各圖中的Κ); 所述第二主表面上具有兩種電極接法中之任一種：第 一種接法是只有第二個導體（各圖中與1〇1相連接的粗黑 線）與第-個Ρ區（各圖中的101)相聯接，該第二個導 體作爲兩個被控制的電極的第二個電極（各圖中的Α);第 二種接法是除第二個導體外，還有第三個導體與輕摻雜的 第一個Ν區（各圖中的110)通過一個问區（圖4(句或圖 4(f))相聯接，第三個導體是基極（圖4 _的b ); 所述第一個受控制的電流源控制了流過第一個N區（各 圖中的11〇)的電子流0丨0以「〇门（^「「扣〖），所述第二個受控 制的電流源控制了流過第一個N區（各圖中的11〇)的電 洞流（hole Current);控制兩種載流子電流的電流源就控制 了兩個被控制的電極（電極A與電極κ)之間的電流； 5 201236139 所述第二類元胞除含有第一類元胞的特徵外，還有如 下特徵，在第一個N區（110)還有直接連通到第一主表面 的區域（圖13、圖14、圖15、圖16和圖17中的N區11〇)， 該區域有第一個絕緣層（圖13中的161及圖14、圖15、 圖16和圖17中的162)覆蓋，該絕緣層還在第一主表面 覆蓋了第二個P區（圖13中的122及圖14、圖15、圖16 和圖17中的121)和第二個N區（圖13中的132及圖14、 圖15、圖16和圖17中的130)，該絕緣層頂部覆蓋有— 個導體（圖13、圖14、圖15、圖16和圖17中的Gon);連 通到第一主表面的第一個N區（圖13、圖14、圖15、圖 16和圖17中的11〇)和第二個n區（圖13中的132及圖 14、圖15、圖16和圖17中的130)分別構成一個n_MIS (Meta卜Insulator-Semi conductor，金屬-絕緣-半導體場效 電晶體）的汲極區（drain region)及源極區（source regj0n) ’ 第二個P區（圖13中的122及圖14、圖15、圖16和圖 17中的121)作爲一個基底區（s〇u「ce_b〇cJyregj〇n)，絕緣 層頂部覆蓋的導體作爲該n_MIS的閘（gate);該閘上加 k號可控制η - ΜIS的汲極區與源極區間的電流； 第三類元胞除含有第一類元胞的特徵外，還有如下特 徵’（參考文獻[1])第二個Ρ區（圖18中的601 )的一側 有第二個絕緣層（圖1 8中的660)覆蓋，該絕緣層還覆蓋 了在工作區邊緣之外的作爲接面邊緣終止區（juncti〇n edge termination regi〇n )的P區（圖】8中的6〇2)的一側；該 接面邊緣終止區（junctj〇n edge termination region)是在 第一主表面的從半導體元件的工作區邊界作爲第一邊開 201236139 始，直到兩個被控制的電極（電極A與電極κ)之間即使 加有很高電壓仍無電場存在的第一冑Ν㊄的—個區域（圖 18中的稱）作爲第二邊結束；該第二個絕緣層（圖心 的660)的頂部有-個導體覆蓋，作爲—個夾止閘（圖μ 中的0。）；接面邊緣終止區在第二邊之外設有低壓電路（圖 19中的該低壓電路設有兩個輸出槔（圖19中_ 區的Α和Β)，其第—個輸出皡與半導體元件的第二個電 極（電極A)通過一個導體相聯接’其第二個輸出埠與第二 種接法的基極（Base)(圖19中的B)通過另_個導體相 聯接； 接面邊緣終止之外的低廢番牧、祭+ | 7低壓電路還有兩個輸入埠，其第 一個輸入谭可以是圖19中的_區，也可以是與兩個被控

制的電極之間即使加有报高電壓仍無電場存在的第一個N 區的一個區域直接聯接，其第_ 丹弟一個輸入埠是低壓電路的控 制埠（圖1 9中的81 〇 )，它诵堝道μ〜 匕通過導體與接面邊緣終止内靠 近第二邊的一個區域有導體相聯接； 當所述的夾止閘（圖18中的r、 ndt , u 〒的G0)上加一種脈衝信號 時’低壓電路的兩個輸出埠（圖i 砰、圃19中800區的A和B)之 間可以有很大電流通過而兩個輪 网调輸出埠之間電壓很低，從而 使第一個P區（1〇1)不仓坌 )不内第一個N區（各圖令的110)注入 電洞。 2.參考圖4(c)與4(d)。按昭μ、+. 4 θ ^ ;按"，、上述1中的基極（電極Β) 疋直接與第二個電極（電極相 )相聯接，而不是通過另一個 導體與所述低壓電路的第二個 调％出棒相聯接。 3 .上述兩個電流源可以 疋卜接於第一個受控制的電流 7 201236139 源（各圖中的200)的筮_ & „ μ 的第一埠及第二個受控制的電流源（各 圖中的300)的第—抬从工， ^扪弟埠的兩個電流源。 本發明也提供了可以做在元件内部的方法如下。參考 圖5和圖1 3，可以加笛一 & 把第一個p區分開。按照上述1中所述 的第一個P區分爲三個子區三個子區相互間有第一個N 區（m)隔開，每個子㈣含有各自的第二個^(13〇、 1 31、1 32 )’三個子區内各自的第二個N區分別由第二個 P區（121、123、122)及第—主表面所包圍；其中第一個 子區内的第二個N區（13〇)的摻雜劑量較第一個子區的第 二個P區（121)的摻雜劑量大得多，第二個子區内的第二 個N區（131 )的摻雜劑量較第二個子區的第二個p區（123) 的摻雜劑量小得多’第三個子區内的第二個N區（132)與 第三個子區的第二個P區（122)在第一主表面用浮動歐姆 接觸（FOC )相聯接，第三個子區内的第二個问區（η” 之内還有第二個P區（14〇)，所述第三個p區（14〇)内 至>、3有兩個n-MIS，兩個n-MIS的源極區（202與302) 與構成基底區的第三個P區（14〇)在第一主表面有導體（構 成電極K的導體）相聯接，形成兩個被控制的電極的第一 個電極（電極K);兩個n-MIS的汲極區（201與301 )分 別與第一個子區内的第二個N區（13〇)及第二個子區内的 第二個N區（131)用導線相聯接；在第一主表面上至少有 兩個絕緣層（ 260與360)，各自覆蓋了部分源極區（2〇2 與302)、部分汲極區（2〇1與3〇1)及其間的基底區（14〇)， 兩個絕緣層上有導體覆蓋作爲兩個n_Mis的閘極gate ( G. ” 〇2 ) ’這兩個閘極分別控制了作爲兩種載流子的兩個電 8 201236139

4 .參考β _

區（131)的摻雜劑量較第二個子區的第二個ρ區（123) 多，第三個子區内的第二個(132)與 二個P區（122)在第一主表面用浮動歐姆 按照上述1中所述的： 子區相互間有絕緣槽（171 各自的第二個ΝΙ區（130 内的第二個Ν區（130)的 Ρ區（1 21 )的摻雜齋丨詈士

的摻雜劑量小得多，第三 第三個子區的第二個PH 接觸（FOC)相聯接；第三個子區内的第二個Ν區（13” 之内還有第三個卩區（140)，所述第三個ρ區内至少含有 兩個n-MIS，兩個η_Μ丨S的源極區（2〇2與3〇2)與構成基

Κ的導體）相聯接，形成兩個被控制的電極的第一個電極（電 極Κ);兩個n_MIS的汲極區（201與301 )分別與第一個 子區内的第二個N區（130)及第二個子區内的第二個N 區（1 31 )用導線相聯接；在第一主表面上至少有兩個絕緣 層（260與360 )，各自覆蓋了部分源極區（202與302)、 部分沒極區（201與301)及其間的基底區（140)，兩個 絕緣層上有導體覆蓋作爲兩個n-MIS的閘極（〇1與G2)， 這兩個閘極分別控制了作爲兩種載流子的兩個電流源的 η-MIS的電流。 5 .參考圖8，也可以用絕緣槽把第二個ρ區局部地分 開。 9 201236139 按照上述1中所述的第二個p區分爲三個子區，三個 子區相互間有部分第二個P區相連接（122與121連接， 也與1 23連接），其他部分均有絕緣槽（i 71與i 72 )隔開， 每個子區内含有各自的第二個问區（13〇、131、132); 其中第一個子區内的第二個Ng(13〇)的摻雜劑量較第— 個子區的第二個P區（彳21 )的摻雜劑量大得多，第二個子 區内的第二個N區（131)的摻雜劑量較第二個子區的第二 個P區（123)的摻雜劑量小得多，第三個子區内的第二個 N區（132)與第三個子區的第二個p區（122)在第一主 表面用浮動歐姆接觸（F0C)相聯接；第三 二個N區⑽)之内還有第三個P區（14〇)，所= 個P區（140)内至少含有兩個n_M丨s，兩個卜㈣的源極 區（202與302)與構成基底區的第三個p區（彳4〇)在第 -主表面有導體（構成電極κ的導體）相聯接，形成兩個 被控制的電極的第一個電極（電極κ);兩個η·Μ|3的汲 極區（201與301)分別與第一個子區内的第二個N區（13〇) 及第二個子區内的第二自N 1 ( 13”用導線相聯接；在第 一主表面上至少有兩個絕緣層（26〇與36〇),各自覆蓋了 部分源極區（202與302)、部分没極區（2()1與3〇1)及 其間的基底區（140) ’兩個絕緣層上有導體覆蓋作爲兩個 n-MIS的閘極（(51與g2)，這兩個閘極分別控制了作爲兩 種載流子的兩個電流源的的電流。 6 ·參考圖6，可以把第二個p區三個子區合攏。 按照上述1中所述的第二個p區分爲三個子區，三個 子區的第二個P區（121、123、122)相互間是相連接的， 10 •201236139 每個子區内含有各自的第二個N區（13〇、13彳、132)， 三個子區内各自的第二冑N區（13〇、131、132)分別由 第一個P區（121、123、122)及第一主表面所包圍；其 中第-個子區内的第二個Ng(13〇)的摻雜劑量較第一個 子區的第二個p區（121)的摻雜劑量大得多，第二個子區 内的第二個N區（131)的摻雜劑量較第二個子區的第二個 P區（123)的摻雜劑量小得多，第三個子區内的第二個n 區（132)與第三個子區的第二個(122)在第一主表 面用浮動歐姆接觸（F0C)才目聯接；第三個子區内的第二 ㈣區⑽）之内還有第三舒區（14〇)，所述第三個 P區（140)内至少含有兩個n_M丨s，兩個的源極區 ( 202與302)與構成基底區的第三個p區（㈣）在第一 主表面有導體（構成電# K的導體）相聯接，形成兩個被 控制的電極的第一個電極（電極κ);兩冑_的汲極 區（201與301)分別與第一個子區内的第二個_ 及第二個子區内的第二個N區（131)用導線相聯接；在第 主表面上至少有兩個絕緣層（26〇與36〇 )，各自覆蓋了 部分源極區202與302)、部分汲極區（2〇1與3〇1)及其 間的基底區（SOUrce_body regi〇n)(14〇)，兩個絕緣層上 有導體覆蓋作爲兩個n_MIS的閘極（(31與G2)，這兩個閘 極刀別控制了作爲兩種載流子的兩個電流源的卜的電 流。 7·第二個P區的第二個子區内有(圖3中的131)， 而導體除連接N區外還連接另一個p區（圖3中的133)。一 參考圖3。 11 201236139 按照上述3-6中的第二個子區内的第二個n區（1 31 ) 用導體相連接處，導體還連接了一個不與第二個p區相連 接的P區（1 33)。 8.第二個p區的電流源可以設在第三個子區内。參考 圖12。 按照上述1中所述的第二個P區（各圖中的12〇)的 另一部分與第二個受控制的電流源（各圖中的3〇〇 )的第一 琿相聯接的方法是做一個被第二個P區及第一主表面所包 圍的、並在第一主表面用浮動歐姆接觸（F〇c)與第二個p 區相聯接的一個N區（132)，再做一個被此n區及第一 主表面所包圍的第三個P區（140)，所述第三個p區内至少 含有兩個n-MIS,兩個n-MIS的源極區（202與302)與構 成基底區的第三個P區（140)在第一主表面有導體相聯 接，形成兩個被控制的電極的第一個電極（電極κ);兩個 n MIS的；及極區中的一個汲極區内有一個被該沒極區（ΜΑ) 及第一主表面所包圍的p區（143)，該p區有導線聯接到 第一個P區（123);在第一主表面上至少有兩個絕緣層（26〇 與36〇) ’各自覆蓋了部分源極區（202與302)、部分汲 極區（201與301)及其間的基底區（14〇)，兩個絕緣層 上有導體覆蓋作爲兩個n_M丨S的閘極（Gi與g2)，這兩個 開極刀別控制了作爲兩種載流子的兩個電流源的n-M丨S的 電流。 9 .電流源可以設在 SIS ( Silicon lnsLI|at〇r Silicon) 内。參考圖9和圖*ι 〇。 按照上述1中所述的兩個電流源是形成在第三個Ρ區 12 201236139 (140)内，第三個p區與其他半導體區域有絕緣體（in、 172以及173)相隔絕。 1〇·本發明的實施例還提供了一種自動 的電壓的方法。參考圖15。 用於‘ 按照上述1中所述第二類元胞的n_M|s的閘（G〇n)是 通過導線聯接到設在第一個N區（11〇)在第—主表^内的 一個摻雜劑量較大的N區（111 )。 11本發明的實施例還提供了一種使兩個電流源儘管 它們的控制電極存在控制電壓，但既不能提供第二個N區 以電流，也不能提供第二個p區以電流的方法。即另加Gw 的方法，參考圖16及圖17β此時還可不需箝位。 按照上述3、4、5、6、9及1 〇中的第三個子區，以其 第二個Ρ區作爲一個P-MIS的源極區（123)，以其第二個 Ν區作爲該p-MIS的基底區（132)，第三個ρ區作爲該 P-MIS的汲極區（140)，在第一主表面從源極區的部分經 基底區到汲極區的部分有一個絕緣層（’ 63 )，此絕緣層上 覆蓋有導體，此導體作爲p_M|S的( G〇ff)，當閘上加電 壓使p-MIS導通時，第二個ρ區（123)與第一個電極（電 極K)之間只有很小的電壓（對矽元件而言小於〇.7伏卜不 吕而喻，從已有的半導體知識可知，要達到該種很小電壓 的方法，也可以是在該第三個子區内的第二個N區（彳32) 和第三個P區（140)之間形成一個n_ms。 1 2 .爲了防止本發明提供的電流源的兩端間電壓過 高’本發明還提供了將兩端電壓箝..位的方法。參考圖U、 12、14、15 和 16° 13 201236139 按照上述圖4、5、6、8、9、11中所述的第二個p區 (1 22 )和第三個p區（彳4〇 )間形成兩個串聯的二極體， 其方法是在第二個P區（122)内做一個N區（126)，形 成第一個一極體；在第三個p區（14〇)内做一個n區 (142)，此N區内又做一個p區（141),形成第二個二 極體；第二個二極體的Ng(142 )在第一主表面用導體（電 極K的導體）與第三個p區（14〇)相聯接；第一個二極體 的N區通過導線與第二個二極體的p區相聯接。 13.本發明還提供了一種用設在第一個n區在第一主 表面的重摻雜N區來提供相對於第一個電極（各圖中的κ) 有低電壓的電源的方法’用以提供發明内容3所述兩個電 流源的輸入端所需電能，參考圖21。 按照上述1中所述的第一類元胞，有一個在第一主表 面下與其第一個Ν區（11〇)直接接觸的重摻雜的Ν區 (111) ’此Ν區在第一主表面有導體（電極Η)直接接觸， 還有一個在第一主表面用浮動歐姆接觸（F〇c)與第二個ρ 區（120)相聯接而又在該第二個ρ區（12〇)内的第二個 Ν區（132)，還有一個第三個卩區（14〇)在所述的第二 個Ν區（132)内，還有一個第三個(146)在所述的 第三個Ρ區（140)内，還有一個第四個ρ區（145)在所 述的第三個Ν區（146)内；所述的第四個卩區（]45)在 第一主表面有導體直接接觸，它通過導線與所述的重摻雜 的Ν區（1 11 )接觸的導體（η )相聯接；所述的第三個Ν 區（146)在第一主表面有導體（F)直接接觸，它通過導 線與一個電容（CO的一端相聯接，所述電容的另一端與兩個 201236139 被控制的電極的第-個電極（κ)相聯接；所述電容作爲一 個設置在第三個ρ區（140)内的低壓電路的電源，低壓電 路的輸入端（Gc)是外接控制電壓，低麼電路的輸出端是 作爲受控制的電流源的控制電壓或作爲第二個ρ區（12〇) 的控制電壓。 14.本發明還提供了.—種相對於第二個電#(各圖中 的A)接面邊緣終止區（juncti〇n edge “「⑺…如训regj〇n) 之外的低壓電路的電源，參考圖2 〇 β 按·、、、上述1中所述的接面邊緣終止區第二邊之内的第 一主表面下的一個小區域上設有導體，此導體通過導線與 在接面邊緣終止區第二邊之外的—個Ν區（8Q2 )相聯接； 此N區除在第一主表面之外均被一個p區（8〇”所包圍， 此P區在第一主表面有導體直接接觸，它通過導線與一個 電容（C〇)的一端相聯接；所述電容（c〇>的另一端與接面邊緣 終止區第一邊之外的第一個N區（11〇)相聯接；所述電容 (C〇)作爲設在接面邊緣終止區的在第二邊之外的低壓電路 的電源。 【實施方式】 下面參照附圖對本發明進行更全面的描述，其中說明 本發明的不例性實施例。在所有的圖巾，同樣的號碼所代 表的意義都是一樣的。 本發明的附圖中導體統一用粗線表示，在以後不再贅 述。 本發明的閘流體的主動區（active「egj〇n)的原理性結 15 201236139 構及其簡單等效電路如圖1所示。 圖1 (a)示出本發明的主動區的原理性結構。該圖最下 面的電極A是陽極’它通過導體聯接於第一個p區1〇1， 用來注入電洞到輕摻雜的第一個N區11 〇，n區11 〇是耐 壓區（voltage-sustaining region)。耐壓區之上有一個第二 個P區120。第二個p區彳2〇之上的右邊部分是經過導體 串聯到一個電流源300再聯接到陰極κ。這樣，在外加電 壓VAK大於零時，p區1〇1、N區11〇及p區12〇構成第 一個電晶體（PNP)的發射區、基區及集電區。 在第二個P區120的左邊的上面部分有一個问區13〇, 此區經過導體串聯到一個電流源200再聯到陰極κ.當vak

大於零時，N區130可以發射電子到p區彳2〇區，再由N 區11〇把電子取走。這樣，问區130、Pg 120及问區11〇 構成第二個電晶體（NPN)的發射區、基區和集電區。 兩個電晶體與兩個電流源聯接構成的等效電路如圖 1 (b)所示。 圖1(a)所示的結構與GT〇及MCT最大不同處是有兩 個電流源。 叹置兩個電流源的目的是在有電流的情況下，保證在 耐壓區11 0中兩種載流子濃度盡可能滿足下面條件： n-p-ND + «0 (，） 其中η爲電子濃度，p爲電洞濃度，Nd+是11〇區的有 效電離施體（donor)濃度。當電流很大，從而n與p均遠大 于ND +時，如果n >> p，則耐壓區承受外電屋時，其作用如 同一個重摻雜的P區，它不可能承受很高的電壓。如果 16 201236139 >n’其作用如同_個重摻雜的N[i，它也不可能承受很高 的電壓。&兩種情形都不能達到大電壓下電流飽和的目的。 注意到在Si中，電場強度大於2x1〇4v/cm時，電子及 電：的速度各約等於其飽和值^及vSh。而電場強度在2x 1 0 V’cm以上時才有明顯的碰撞電離率。因此，上述條件只 需要早位面積下電子流與電洞流的比例爲（je/jh)= (vSe/vSh)。由於在Si巾，，故只需要電子流與 電洞流相等。 按照圖1的做法，由於要維持p區12〇及N區13〇構 成的P-N接面Guncti〇n)正偏壓，使得有注入，3〇〇所聯接 的120區的電位比200所聯接的n區130的電位高。在引 中高㈣_7V左右’這顯然需要多消耗單位面積功率。爲此， 像圖2⑻所示的原理性結構那樣，我們可把最上面的n區 分成一個重摻雜的130和一個輕摻雜的N區131。同 時’把9區12〇在W 130的周圍摻雜劑量做得很低；把 P區120在N區131的周圍摻雜劑量做得很高。於是，彳 和PS 12〇構成一個Ν、Ρ·接面’其通過的電流以電子流爲 主1區⑶* PS 120構成—個Ν·_ρ +接面，其通過的電 流以電洞流爲主。 圖2(b)是圖2(a)的簡單等效電路圖。 圖2(a)中300與Ν區131聯接的導體也可以和一個& 區133同時接觸，如圖3⑻所示。這種接法相當於一個ρ 區120、Ν區131及Ρ區133構成的集電結短路的ρΝρ電 晶體，其等效電路如圖3(b)所示。 圖1⑻的耐壓區110的下部100區有幾種結構，如圖 17 201236139 4所示。目4⑷是耐壓區11G直接與P區101連接，而p 區101又與電極A相聯接1 4(b)與圖4⑻不同處是11〇 與1〇1之間增加了 一個N區1〇3作爲緩衝層，N(I 1〇3有 比110更重的摻雜濃度，但比較薄。圖4(c)所示是一種陽 極短路的接法，電極A既與p區1〇1接觸，也通過與N區 102接觸聯到耐壓區11〇。有時爲了陽極短路的效果更 好’需要I 110下方有一個比11〇更重摻雜濃度的N區 103，如圖4(d)所示。圖4⑷是—種將N耐壓區11〇經過 一個N H 1 02聯出作爲一個基極而用的結構，圖4⑴是在 圖4(e)的基礎上爲了陽極短路更有效而在1〇彳及上設 有一個較重摻雜的N區1〇3的結構。圖4⑴和圖4(e)都是 爲了快速夾止而用，其用法將在後面敍述。下面各圖中， 不管採用@ 4(a)、圖4(b)、圖4(g)、圖4(d)、@ 4(e)或圖 4(f)所示圖中哪一張接法，爲了簡單起見，我們均用圖4(a) 來表不。只是在將N耐壓區11 〇經過一個n區彳〇2聯出作 爲一個基極而用的聯法時，不管採用圖4(e)或圖4(f)，均用 圖4(e)的表示方法。 圖2(a)所示的電流源2〇〇及3〇〇可以不是在該晶片上 外接的，而是做在元件的晶片内部。圖5(a)示出一個這樣 做法的一個元胞。在這裏，將p區彳2〇分成三個獨立的p

區：121、122、123 ’將N區130設置在P區121内，N

區1 31設置在P區1 23内。電流源則設置在p區14〇中， 140被N區132所包圍，n區132又在第一主表面（最上 面的表面）用浮動歐姆接觸（FOC)在表面與P區122相 聯。P區140作爲兩個n-MIS的基底區，它與兩個n-MIS 18 .201236139 的源極區202及302通過導體在表面相聯接，兩個n_M|S 的沒極區分別是N+區201及N +區301，它們各自有導體聯 出到N區130上的電極D!及N區131上的電極d2。有兩 個絕緣體260及360分別覆蓋在兩個n-MIS的源極區的一 部分，基底區及汲極區的一部分。絕緣體上有導體構成兩 個n-MIS的閘G1與G2。控制G1與G2的電壓可以控制兩 個η - Μ丨S的電流，從而控制了流經n區1 3 〇及n區131的 電流。在實際設計中，可使Ρ區12彳的摻雜劑量比受它包 圍的Ν區1 30的摻雜劑量小得多，因此流過Ν區彳3〇的電 流主要是向下流的電子流。相反，ρ區彳23的摻雜劑量比 受它包圍的Ν區1 31的摻雜劑量大得多’因此流過ρ區彳23 的電流主要是向上流的電洞流。由於Ν區彳3〇與ρ區】Μ 構成的P-N接面及P區123與N區131構成的p_N接面在 正向工作時的偏壓均約爲〇 7V (對矽的情形）^如果兩個 n-MIS做得完全—樣，而流過兩個pN接面的電流不相等， 則流過的兩個n_MIS的電壓會不等’電流大的一邊造成壓 降大，結果是該邊P-N接面電壓的壓降變小。利用這種負 回饋（negative feedback)的原理，容易實現電子流與電洞流 相等或接近相等的要求。 圖5(b)是圖5(a)結構的簡單等效電路圖。 爲了實現圖2中兩個電流源2〇〇及3〇〇，不一定要把 S圖的分成獨立的三段，而是可以把三段連接在 一起。圖6(a)示出了爲達到這一目標的結構原理圖。這裏 的，區號碼和！I 5的—致，工作原理不再贅述。值得提出 勺疋w中的p區122摻雜劑量可以較重，使其橫向電阻 19 201236139 較小。從而使得兩邊（p區121與p區123)電壓不會因 發生橫向電流而不相等。 圖6(b)是圖6(a)的簡單等效電路圖。 也可以使圖5(a)或圖6(a)中的问區13〇及/或N區131 不疋完全受P區121及/或123所包圍。這就是利用刻槽技 術。圖7是將圖5(a)或圖6(a)三個完全地用介質171 及介質172隔開的方法的示意圖，圖8是將圖5(a)或圖6(旬 三個P區部分地用介質隔開的方法的示意圖。在這兩個圖 中’ N區13〇和N區131只有底部是連接p區其邊上無 P區包圍》 在圖5(a)或圖6(a)中用n_MIS來做兩個電流源這是 因爲它在同樣導通電流下所需的漏源電壓較小，可以節省 導通損耗Μ旦是爲了實現n_M|S，需要有p型的基底區14〇, 而這個P區又不能以P區122來代替，否則由p區1〇1 注入的電洞會直接經P區122流入電極κ，失去了控制兩 種載流子電流相等的能力。因此加入了與p區彳22電位相 等的N區132。如果電流源是做在一個與其他半導體區絕 緣的半導體區中，則N區1 32就無必要存在。圖9示出了 一種這樣的方法’該方法是將電流源區（current s〇urce region)的兩旁用絕緣體171和172隔開（例如利用丁「扣叻 技術），而下面也用絕緣體彳73隔開（例如利用S|S技術）， 作爲基底區的是p區140。 备然’這種隔離的方法也有一定的靈活性。例如，還 可以保留一部分卩區122在隔離區之下_，如圖，〇所示。這 會使得經過耐壓區110的電洞到上層有更大的通路。同時 20 201236139 也可使P區121和P區123之間的電位更接近，使得耐壓 區電子流密度和電洞流密度更接近。 在圖1 1(a)中晝出了一個P區122和N區126構成的 P-N二極體，126通過聯線又接到P區141，後者設在n 區142中’因此又形成一個二極體》N區142通過導體直 接與P區140及陰極K相聯。這就是說，從P區122到陰 極K有兩個二極體。這樣，即使p區1 22到K有很大的電 流’兩者間的電壓也不會超過兩個二極體的正向壓降之和 (在Si元件中約爲1.5V)，這可以避免在大電流下兩個受 G1及G2控制的n-MIS的漏源電壓過大，換言之，這兩個二 極體起了 一個箝位作用’在以後各圖中遇到有此結構時不 再贅述。 圖11(b)是圖11(a)的簡單等效電路圖。 在本發明元件中製造圖，和圖2中電流源3〇〇還有一 種方法疋把該兩圖中p區123和N區131形成的P-N接面 做在圖5(a)或圖6(a)所示的p區14〇之内。這種方法的結 構示意地表示在圖12(a)中。該圖中由G2控制的n M|S的 汲極區是N型區144，在144中又做一個p區143，143 與144形成了 P-N接面。143通過聯線經圖中的F〇c接到 P區123。圖12(b)是圖12(a)的簡單等效電路圖。 上述各結構固然可使元件導通，但從夾止態進入導通 態所需的時間可能較長。這是因爲，要使P區101有電洞 /主入到N區11 〇的先決條件是有電子從n區^ 3〇經p區 121抓入到N區1 1 〇 ’再達到p區]〇1而從電極a流出。 而k要求P區12"十问區13〇有正向偏壓（在s丨元件中 21 201236139 約爲0_7V) ’而p區121要有正向偏壓又必須依靠p區 1〇1的電洞注入，這一迴圈過程使閘流體的再生作用要經過 相當長的時間。 爲了加快開啓速度，我們可設法使元件在開啓之初， 電子不是從N區130經過卩區121再進入耐壓區11〇,而 是直接進入耐壓區11(^圖13(a)示出了一個這種方法的結 構圖。它是在圖5(a)結構的基礎上，用N區11〇作爲沒極 區°卩刀的N區2 01作爲源極區。在表面有一個絕緣層161 覆蓋于該兩區以及p區122、N區132及p區14〇，此絕 緣層161上有導體作爲一個n_M丨s的閘，稱爲開啓閘G。。。 開啓閘Gon與Gl聯在一起，構成了兩個串聯的而又共用一 個閘信號的n-MIS。從夾止態到開啓的初級階段兩個n.s 均開啓’有電子流向N區，1〇。由於這兩個n_M|s是串聯 的’因此總的電子流仍由閘Gi控制，可以做到電子流與電 洞流（由G2控制）在開啓後一直相等。圖13(b)是圖13(a) 的等效電路示意圖。 加速開啓過程還可以對h與G〇n採用不同的閘信號， 圖14(a)示出了一種這樣的結構。這裏專用的開啓卜是 該圖的N 1 13G作爲源極區，p區121作爲襯底區，N區 110作爲没極區，有絕緣層162覆蓋部分N區13〇、p區 121以及部分N區110,其上有導體構成閘電極、。圖 14(b)疋圖14(a)的簡單等效電路圖。 本發月還提供了 一種自動獲得G。"所需電壓的方法。如 圖15(a)所示，在..一 1 10相連接的N +區 個元胞的邊界處設了 一個與N耐壓區 111，此區在VAK很大而電流很小時不 22 201236139 會耗盡’其未耗盡區相對于P區121有—定的正 耗盡區有導體接觸，經過^ 未 ❿聯線聯到6。。上。當vAK报小時， 該區對P區121的雷壓下隊 m LL r- 墊下降。因此该區適用于作爲開啓的 G。』電壓用。圖15(b)是圖15(a)的簡單等效電路圖。 本發明的元件從導通狀態到夾止狀態的過程，在原理 上可以將。彳及G2所控制的電流逐漸減少。但是由於兩個 電晶體形成的再生作用’夾止過程會需要較長的時間。 利用陽極短路的方法，即圖4(G)與圖4(d)所示的方法， 也可以加快夾止過程。這是因爲，當流經N區11〇的電子 流很小時，P! 1〇1相對于1Q2的電壓就很小（例如， 對Si元件而言’小於〇·5ν) ’μ 1〇1就幾乎無電洞再注 入到110中。這時閘流體的再生作用不再存在。 但是，陽極短路的方法只有在電流小到一定程度時， 才能使P區101相對于N區1〇2的電壓足夠地小。爲此， 本發明還提供了快夾止的方&。這個方法是增加一個夾止 用的閘G〇ff。 圖16(a)示出了一個在圖14(句的基礎上增加一個夾止 閘的方法。在上表面之上，從p區彳23的一部分開始，經 過N區1 32到p區140的一部分，覆蓋了一個絕緣層彳63， 絕緣層上覆蓋了一個導體做夹止閘，這是一個以p區123 爲源極區，N區132爲基底區，p區14〇爲汲極區的p_M丨s。 當GoffK加電壓低於該MIS的閾電壓而使該M|S導通時， P區123與P區140導通。如果p區123與P區140導通 壓降低於P-N接面的正向導通壓降（在矽元件中約〇.7V)， 則P區123與N區131間幾乎無電流。同理，p區121與 23 201236139 N區1 30間也幾乎無電流。兩個Π_ΜIS不起作用。這時元 件就像一個由P區1〇1、N區110、P區123(及p區121 和P區122)構成的PNP電晶體’可以对很高的電壓而幾 乎無電流《圖16(b)是圖16 (a)的簡單等效電路圖。不言而 喻，從已有的半導體知識可知，要達到p區1 23與p區14〇 導通壓降低於P-N接面的正向導通壓降（對於矽元件而言 約爲0.7V)的方法，也可以是在n區132和P區140之間 形成一個n-MIS。 實際上，圖1 6中的兩個箝位二極體，即由122與，26 形成的P-N接面及P區141與N區142形成的p_N接面構 成的兩個串聯的二極體，在圖16(a)中可以不再需要。因 爲圖16中的p-MIS在〇0”有足夠電壓而導通時，121 (及 122和123)與P區140之間的電位差已被抑制住了。這 種無籍位元二極體的結構如圖1 7所示。 提高夾止速度有效的方法是利用本發明人的發明專利 ‘‘一種高速 16巳丁71_2009101 19961.3，及 u s 八叩丨 N〇 12/712,583(2010)”戶斤提出的方法。在該專利中已經提出多 種具體結構，一種具體結構如圖18所示，該圖是該專利中 圖21的重現，只是各區的符號採用了本專利的符號。這裏 P區602及P區600是一箱你s r & * 楂作爲接面邊緣終止（junctj〇r| edge termination)㈣壓結構。元件爽止時的耐壓區是從聯 接電極K的P區601的右邊間私 ^ 遵開始，直到一個作爲場終止區 的重摻雜的N區400的左邊& ^ 刃及遭爲止。在P區6〇〇的末段的表 面上設有一個絕緣層6 61，卜古 ”上有一個導體〇8〇，它聯接到

一個電阻Ri，該電阻另一端躺姑M 磲聯接到N區400。當該圖的閘 24 201236139 G〇上有負脈衝信號而使該閘絕緣層660下的N區11 〇的表 面形成了反型區時，則Ρ區602及Ρ區600的電位會變得 更接近電極Κ的電位，從而661下的電位變得比G〇上無負 脈衝信號時的值低，於是080與半導體表面構成的電容會 充電，此充電電路的電流是從400開始，經R|到導體〇8〇 到P區600，最後到電極κ。這樣在電阻Rj上會有電壓， 在這個聯接導體080及Ri的埠81 0上有相對于中性N區 11 0上的脈衝電壓。 上面講了得到一個産生夾止信號的原理，至於該圖中 的N +區603與N+區604及P+區605及浮動歐姆接觸FOC 與上述的控制無關，故不贅述。 總之’可以在開啓的瞬間或其前一刻及夾止的瞬間或 其前一刻得到極性不同的信號從81 0輸出。如圖19所示， 在接面邊緣終止（junction edge termination)外的中性區 800内可以製造低壓電路。由81〇作爲輸入端，其輸出端 爲A、B兩個電極，分別用導線聯到圖4(e)的電極A電極B〇 當要夾止時，可以使電極A與電極B之間的電壓小於ρ-n 接面導通的電壓（對Si元件而言，約爲〇.7V)。使得不再 有電洞從下表面注入到N區11 〇。 上圖中的C〇代表一個可以作爲800區内低壓電路的電 源°對於小電流的元件，這個電源並不需要。但是，對於 很大電流的元件，由於夾止過程的起始階段會在電極A與 電極B之間有很大電流，就要求低壓電路有很大的驅動能 力’這時必須有能夠提供瞬間大電流的電源。這個電源在 圖中用電容C〇表示。本發明還提供了一個對電容c〇充電 25 201236139 電流的方法。其結構如圖20所示，該圖的虛線代表當元件 夾止時處於高電壓下N區110的耗盡區邊緣，p區6〇〇的 一部分是接面邊緣終止（junction edge termination)技術使 用的一個區，它可以是專利“一種用於半導體元件的表面 耐壓區，ZL 95108317.1 ’ 及 U.s· 5,726 469 a” 中講到 的最佳變摻雜區，在P區600中的接近耗盡區邊緣處有一 個導體與600相接觸，此導體通過導線聯到一個中性區内 的P區801所包圍的W 802上。p區8〇1又有另外的導 體聯接到電容C。的一端，電容C。的另一端接到設在中性 區的NT區803上。當元件的Vak較大日夺（例如在斷開 時）’可以有電流從rr區803經電容c〇，再經p區8〇1 ^區802構成的正向P-N接面，又經接面邊緣終止區的 :區_流向Kf這使得電容可以充電。當電容上㈣ =-定值時，充電停止。這個電容可以作爲低壓電路的 二圖中由Ρ區80UN區802構成的二極體可以防止 在不需要使用這個電源時電容c0的自動放電。 作爲控制電流源的Π _ Μ丨S的閘G B p

At ^ 导體的表面存在電容，可 ::自外來電能消耗。因此’最好能由本發明的元 加驅2ΓΓ定t量的對的正M，以降低對外 動的要求。另外’從夾止到導 ⑵相對于_13()有正„而于如果p區 則有利於電子進入N區m再到達負電厂堅， £ 121有一個相.對於κ電極的正 、要、·》Ρ 由开姓^ 本發明提供了一種 由凡件本身產生這種對電極Κ爲正電屋的電源的方法了。種 26 201236139 圖21 (a)示出了這種方法。在|^區11〇表面有一個重摻 雜的N區1 1 1 (見參考文獻[3] ) ^該區通過聯線接到一個 設在N區146内的p區145的表面，Ng 146又有一個電 極F在表面，從電極F到電極κ間接了一個電容當 VAK>0時，可以有電子從N +區m流出到n區11〇，再流 到下表面。於是’有電流從下表面流到N +區1彳彳，再經過p 區145及N區146構成的P-N接面，由電極F經電容Cl 流到電極K，使電容c!充電。 需要才曰出的是’不管下表面是圖4中的哪一種結構， 都不可能有電洞流持續不斷地流向該圖中的電極κ。這是因 爲’與電極相聯的P區彳4〇被N區132包圍，後者又被設 在表面的浮動歐姆接觸（F〇C)聯到了 p區12〇，當p區 120被充以正電荷後，N區132與p區14〇構成的p_N接 面是反偏的。另外’與F電極相聯接的n區146與P區140 構成的P-N接面在電容Cl充電後也是反偏的。 還需指出的是’本領域的普通技術人員都容易想到， 本發明所述電容不僅可以是外接電容，也可是製作在晶片 内部的電容’例如用一個Μ丨S電容。 有了對電極Κ的正電源’可以很方便地由外加控制信 號來得到前面所述I及G2要求的閘電壓，以及對ρ區1 21 (及P區122與P區123)的正電壓。圖21(b)示意地表示 這個情況’它是在p區120 (代表p區121或P區122或 P區123或與這些類似的區）上形成的n區132上做一個 'P區140’在p區14〇内可實現通常的低壓積體電路。此 低壓電路有導線聯入電極κ及電極F作爲電源，其相對於 27 201236139

電極K的輸出端可包括供G 讶…及G2的電壓的埠，也可以包 括供P區120的埠。这此以山 幻早k些輸出埠的電壓均由一個輸入埠Gc 以外加信號來控制。 下面介紹-個按圖14⑷的類比結果，其底部採用了圖 4⑷所讀極短路的方法’具體結構如圖22所心這裏採 用了又指條圖形’其各區所用雜質濃度寬度["m】 及厚度[/zm】分別如下：110區：1χ1〇ΐ4、57 3〇〇;ι〇ι區： 3x1〇18、40、2;102 區：1x1〇19、17、2;12i 區：5χΐ〇ΐ6、 20、10 ; 122 區：1Χ1017、17 10 ; 130 區：3χ1〇17、10、2 10 ; 123 區：5χ1〇17、13、 131 區：2χ1〇16、1〇、7 ; 132區.1Χ10、15、4 ; 2〇1區與2〇2區之間距離爲〇 3， 260區厚度爲G_Q3 ; 3G1區與302區之間距離爲0.3，36〇 區厚度爲0.03 ;兩個n_MOS的閾值電壓均爲3v ; 區 下面110區與13G區之間的距離爲5,162區厚度爲〇 〇3, 受G0N控制的n_MOS閾值電壓爲’ _4V。在類比中採用了 SRH、CONMOB、FLDM0B、IMpACT」等模型，兩種載流 子的壽命均設爲2〇〇私s。 圖23是仿真所得的直流特性《元件的電流密度Jak _ 200A/cm2下，導通壓降爲彳35N^該元件的擊穿電壓爲 1 300V (在陽極短路且三個閘的電壓均與κ電極相等的情 形）。 圖24表示該元件開關特性的類比結果。從圖中可以看 出，元件的開啓時間爲〇_45ms (電流從最大電流的1〇%升 至90% )，夾止時間爲4 # δ (電流從最大電流的9〇0/〇下降 至 10%)。 28 201236139 這裏，爲了類比方便起見，在元件的電極A和電極b 之間加了-個n-MOS取代圖18, 19, 2〇的方法。元件的 開啓首先疋將V(G0N)和V(G1)同時同步地用了 〇彳以s的時 間從0V線性增加至1QV，再等…3將v(G2)用了心 的時間攸0V線性增加至10V。元件的夾止首先是在〇」” 内實現電極A和電極B的短路，與此同時，v(g〇n)用了 〇」 "s的時間從10v線性下降至〇v，再等將他1)和 V(G2)用了 10/ZS的時間從1〇v線性減小至〇ν〇 從上述特性來講，本元件類比結果已經比英飛凌的 IGBT 產品 SIGC156T120R2C (電流密度 63A/cm2 下，導 通壓降爲2.5V)在同樣正向壓降下電流密度更大。應當說 明’這裏給出的不是最佳的設計。 需要特別指出的是，功率元件失效的最可能原因是電 流集中效應。從圖23的直流特性可知，對於本發明的元件 而言，任何局部元胞的VAK增加或閘電壓的增加都能發生更 大的電流、但不是一發不可收拾的電流密度，而且在报高 的電壓下也不至於發生電擊穿。 以上所述的元胞除又指條結構的元胞外，當然還可以 有其他許多結構。圖25(a)中晝出了圖22結構爲六角形密 堆積的一種元胞，這裏把露出於表面的N區110書在六角 形元胞的邊緣’這樣可以獲得較大的開啓元件的能力。圖 25(b)畫出了許多這樣的元胞的密堆積的示意圖。 儘管以上所舉的各種情形是以耐壓區爲N型的。但是 顯而易見’它們也適用免..耐.·廢區爲p型的情形。那時本專 利所述的各種N型區應換爲P區，電極A與電極κ應互相 29 201236139 對調。 以上對本發明的-些例子做了說明。不言而喻，對於 熟悉本領域的技術人員而言’還可以在本發明的思想下， 作出其他許多應用例子而不超過本發明的權利要求。 本發明的描述是爲了示例和描述起見而給出的，而並 不是無遺漏的或者將本發明限於所公開的形式。很多修改 和變化對於本領域的普通技術人員而言是顯然的。選擇和 描述實施例是爲了更好說明本發明的原理和實際應用，並 且使本領域的普通技術人員能夠理解本發明從而設計適於 特定用途的帶有各種修改的各種實施例。 【圖式簡單說明】 圖1(a)是本發明的原理性結構的示意圖。 圖1(b)是圓1(a)的簡單等效電路圖。 圖2(a)是本發明的另一種原理性結構的示意圖。 圖2(b)是圖2(a)的簡單等效電路圖。 圖3(a)是本發明的又一種原理性結構的示意圖。 圖3(b)是圖3(a)的簡單等效電路圖。 圖4是耐壓區下部的幾種結構的示意圖。 圖5(a)是本發明的一種將電流源做在晶片内部 示意圖。 幻、-構 圖5(b)是圖5(a)的簡單等效電路圖。 圖6(a)是本發明的另一種將電流源做在晶片内 構示意圖。 的結 圖6(b)是圖6(a)的簡單等效電路圖。 30 201236139 圖7是一種在圖5(a)或圖6(a)基礎上採用介質隔離的 結構示意圖。 圖8是另一種在圖5(句或圖6(a)基礎上採用介質隔離 的結構示意圖。 圖9是一種在圖5(a)或圖6(a)基礎上採用S|S的方法 的結構示意圖。 圖10是另一種在圖5(a)或圖6(a)基礎上採用S|S的方 法的結構示意圖。 圖11(a)是一種增加了箝位元二極體的結構示意圖。 圖11(b)是圖11(a)的簡單等效電路圖。 圖12⑻是另-種製造圖！⑻和圖2⑻中提供電洞流的 電流源的方法的結構示意圖。 圖12(b)是圖12(a)的簡單等效電路圖。 圖1 3(a)疋一種增加開啓閘以加快開啓速度的結構示 意圖。 圖13(b)是圖13(a)的簡單等效電路圖。 圖14⑻是另_種增加開啓閉以加快開啓速度的結構 示意圖。 圖14(b)是圖14(a)的簡單等效電路圖。 圖15(a)是-種能自動提供開啓閘信號以實現快速開 啓的結構示意圖。 圖15(b)是圖15(a)的簡單等效電路圖。 圖16(a)是一個在圖14⑷的基礎上增加—個夾止閉的 … 結構示意圖。 . ·. ·- 圖16(b)是圖16(a)的簡單等效電路圖。 31 201236139 圖17疋一個在圖16(a)的基礎上去除箝位元二極體的 結構不意圖0 圖18是根據文獻[1]中的圖21的產生低壓電路控制信 號的方法的示意圖。 圖19是一種用於實現陽極短路的低壓電路的原理性示 意圖。 圖2〇是一種製造低壓電路電源的方法的結構示意圖。 圖21 (a)是一種由元件本身産生的相對陰極爲正電壓 的電源的方法的結構示意圖。 圖21(b)是一種控制電路的原理性示意圖。 圖22是圖14利用圖4(e)的結構的示意圖。 圖23是根據圖22的元胞結構採用TMA-MEDICI類比 得到的直流特性圖。 圖24是根據圖22的元胞結構採用tmA-MEDICI類比 得到的開關特性圖。 圖25(a)是六角形密堆積的一個元胞的結構示意圖。 圖25(b)是由圖25(a)密堆積的結果的示意圖。 【主要元件符號說明】 101 P 區 I 03 N 區 II 1 N + 區 122 P 區 080導體 100下部 102 N 區 110 N 區 120 P 區 121 P 區 32 201236139 123 I P區 126 N區 130 N區 131 N區 132 N區 133 P區 140 P區 141 P區 142 N區 143 P區 144 N型區 145 P區 146 N區 161 絕緣層 162 絕緣層 163 絕緣層 171 絕緣槽 172 絕緣槽 173 絕緣體 200 電流源 201 >及極區 202 源極區 260 絕緣層 300 電流源 301 沒極區 302 源極區 360 絕緣層 400 N區 600 P區 601 P區 602 P區 603 N +區 604 N +區 605 P +區 660 絕緣層 661 絕緣層 800 低壓電路區 801 P區 802 N區 803 N +區 810 埠 33

Claims (1)

1. 201236139 七、申請專利範圍： 1_-種半導體元件，它的工作區在—塊半導體的第一主 表面與第二主表面之間，含有第-類元胞或第二類元胞或 第二類7C胞或同時含有任何兩類或全部三類元胞； 所述第一類元胞的特徵在於： 第一個第一種導電類型的區作爲主耐壓區； 所述的第一個第一種導電類型的區的一面通過一個第 一種導電類型的區與第一個第二種導電類型的區相連接； 所述第一個第一種導電類型的區的另一 二種導電類型的區相連接； 個第 所述第二個第二種導電類型的區的另一面至少有一部 刀與一個第一個第一種導電類型的區相連接； 所述半導體元件的第二個第一種導電類型的區與第一 個受控制的電流源的第一埠相聯接，所述第二個第二種導 電類型的區還有另一部分與第二個受控制的電流源的第— 琿相聯接，所述兩個電流源的兩個第二埠聯接在一起且均 聯接到第一個導體，該導體作爲兩個被控制的電極的第— 個電極； 所述的第二主表面上具有兩種電極接法中之任—種. 第一種接法是只有第二個導體與第一個第二種導電類型的 區相聯接，該導體作爲兩個被控制的電極的第二個電極； 第二種接法是除第二個導體外，還有第三個導體與輕推雜 的第一個第一種導電類型的區通過一個第一種導電類型的 區相聯接，第三個導體是基極； 所述第一個受控制的電流源控制了流過第一個第_種 34 201236139 導電類型的區的第-種载流子電&，所述第二個受控制的 電流源控制了流過第一個第一種導電類型的區的第二種載 机子電机，通過控制兩種載流子電流的電流源控制兩個被 控制的電極之間的雷、;2¾ · &、+、# 』的电机，所述第二類元胞除含有第一類元 胞的特徵外，g有如下特徵’在第一個第一種導電類型的 區還有直接連通到第一主表面的區域，所述的區域有第一 個絕緣層覆蓋，該絕緣層還在第„_主表面覆蓋了第二個第 二種導電類型的區和第二個第—種導電類型㈣，該絕緣 層頂部覆蓋有一個導體;連通到第一主表面的第一個第一種 導電類型的區和第二個第一種導電類型的區分別構成一個 第一種導電類型的MIS的祕區及源極區，第二個第二種 導電類型的區作爲-個基底1 ,絕緣層頂部覆蓋的導體作 爲該第一種導電類型的導體'絕緣體·半導體Μ丨S的閘;該閘 上加信號可控制第一種導電類型的導體_絕緣體_半導體 MIS的汲極區與源極區間的第一種載流子電流； 所述第二類元胞除含有第一類元胞的特徵外，還有如 下特徵，第二個第二種導電類型的區的一侧有第二個絕緣 層覆蓋’該絕緣層還覆蓋了在卫作區邊緣之外的作爲接面 邊緣終止區的-個第二種導電類型的區的—側；所述接面 邊緣終止!！；％在第一主表自的從半導體元件的工作區邊界 作爲第一邊開始，直到兩個被控制的電極之間即使加有很 :電壓仍無電場存在的第一冑第一冑導電類型#區的一個 區域作爲第二邊結束；所述第二個絕緣層的頂部有一個導 體覆蓋’作爲-個夾止閘；#面邊緣終止區在第二邊之外 叹有低壓電路；所述低壓電路設有兩個輸出埠，其第—個 35 201236139 輸出埠與所述半導體元件的第二個電極通過一個 艰相聯 接，其第二個輸出埠與第二種接法的基極通過另一個 相聯接； 體 所述接面邊緣終止區之外的低壓電路還有兩個輪 埠，其第一個輸入埠與所述兩個被控制的電極之間即使力 有很高電壓仍無電場存在的第一個第一種導電類型的 一個區域直接聯接，其第二個輸入埠是低壓電路的控 埠，它通過導體與接面邊緣終止區靠近第二邊的一個站 有導體相聯接； # 當所述的夾止閘上加一種脈衝信號時，低壓電路的 個輸出埠之間可以有很大電流通過而兩個輸出痒之間 很低，從而使第-個第二種導電類型的區不向第一 一 種導電類型的區注入電洞； 當第一種導電類型的區是N區時，第一種載流子是電 第二種導電類型的區是p區，第二種載流子是電洞；者 第一種導電類型的區是P區時，第—種載流子是電洞，第: 種導電類型的區是㈣，第二種載流子是電子。 2·如請求们所述之半導體元件，所述基極直接與第二 個電=相聯接，而不是通過另—個導體與所述低壓電路的第 一個輸出埠相聯接。 3.如請求項彳所述之半導體元件， 電類型的區分爲三個子區，三個子區相個：：種： 導電類型的區隔開，每個 固第-種 ^mm匕鬥3有各自的第二個第一種導 分別由Γ:三個子區内各自的第二個第一種導電類型的區 第—個第二種導電類型的區及第—主表面所包圍；其 36 201236139 中第一個子區内的第_ 較第+ — 種導電類型的區的摻雜劑量 平父弟個子&的第二個第-括播恭& , 種導電類型的區的摻雜劑量 穴弟一個子^内的笛-/talAsir „^ λ 第一個第一種導電類型的區的摻雜劑量 較第二個子區的第二 .墙一 第一種導電類型的區的摻雜劑量 小’第二個子區内的笛- « . ^ , 一固第一種導電類型的區與第三個子 的第一個第二種道 #^ 生的區在第一主表面用浮動歐姆 接觸相聯接，第三個子 内還有第三個第二種導雷:第二個第一種導電類型的區之 類型的區内至少含有氐袖 导电 半導F 有兩個第—種導電類型的導體-絕緣體- ，㊉個第一種導電類型的導體-絕緣體-半導體 MIS的源極區與構成基底區的第=個第1遙雪相, 叼罘一個第一種導電類型的區 ®有導體相聯接，形成兩個被控制的電極的第一 個電極；兩個第_括道雨此 電類型的導體—絕緣體-半導體MIS 的 >及極區分別斑笛_ _ 與第一個子區内的第二個第一種導電類型 區及第二個子區内的笙_ 聯接,·在第m 種導電類型的區用導線相 βγΛ少有兩個絕緣層，各自覆蓋了部分 源極&、部分汲極區苴 υ的基隸，兩個絕緣層上有導體 覆蓋作爲兩個第_種導雷 的鬥炫* 種導電類型㈣體-絕緣體-半導體MIS Ψ 廷兩個間極分別控制了作爲λ插·? 爲種載流子的兩個電流 "、：▲ 4電類型的導體'絕緣體_半導體㈣的電流。 曾二:6'求項1所述之半導體元件’所述第二個第二種導 電類型的區分蛊-加JH： Γ9* t 守 每個Μ ^ 子區相互間有絕緣槽隔開， 一 ” 3有各自的第二個第一種導電類型的區；其中第 一個子區内的第二個第一 八 -個子區的第二個二= 的摻雜劑量較第 第一種導電類型的區的摻雜劑量大，第二 37 201236139 個子區内的第二個第一種導電類型的區的摻雜劑量較第一 個子區的第二個第二種導電類型的區的摻雜劑量小，第三: =内的第二個第一種導電類型的區與第三個子區的第二 個第二種導電類型的區在第一 面用洋動歐姆接觸相聯 接，第二個子區内的第二個第一種導電類型的區之内還有第 二個第二種導電類型的區’所述第三個第二種導電類型的區 内至少含有兩個第一種導電類型的導體'絕緣體—半導體 Μ丨S’兩個第一種導電類型的導體'絕緣體_半導體_的源 極區與構成基底區的第三個第二種導電類型的區在第一主 表面有導體相聯接，形成兩個被控制的電極的第—個電極； ^個第-種導電類型的導體_絕緣體_半導體_㈣極區 刀别/、第個子區内的第二個第一種導電類型的區及第二 :子區内的第二個第一種導電類型的區用導線相聯接；在第 :主表面上至少有兩個絕緣層，各自覆蓋了部分源極區、部 刀；及極區及其間的基底區’兩個絕緣層上有導體覆蓋作爲兩 個第一種導電類型的導體'絕緣體-半導體MIS的間極，這兩 個閘極分別控制了作爲兩種載流子的兩個電流源的第一種 導電類型的導體-絕緣體—半導體M|S的電流。 5.如請求項1所述之半導體元件，所述第二個第二種導 電類型的區分爲三個子區，三個子區相互間有部分第二個第 一種導電類型的區相連接’其他部分均有絕緣槽隔開，每個 子區内含有各自的第二個第一種導電類型的區；其中第一個 子區内的第二個第一種導電類型的區的摻雜劑量較第一個 子區的第二個第二種導電類型的區的摻雜劑量大，第二個子 區内的第二個第一種導電類型的區的摻雜劑量較第二個子 38 201236139 區的第二個第二種導電類型的區的摻雜劑量小，第三個子區 内的第二個第一種導電類型的區與第三個子區的第二個第 一種導電類型的區在第一主表面用浮動歐姆接觸相聯接；第 三個子區内的第二個第一種導電類型的區之内還有第三個 第二種導電類型的區，所述第三個第二種導電類型的區内至 少含有兩個第一種導電類型的導體_絕緣體_半導體M|S， 兩個第一種導電類型的導體-絕緣體-半導體Μ丨S的源極區 與構成基底區的第三個第二種導電類型的區在第一主表面 有導體相聯接，形成兩個被控制的電極的第―個電極；兩個 第-種導電類型的導體'絕緣體_半導體_的沒極區分別 與第個子區内的第二個第一種導電類型的區及第二個子 區内的第二個第-種導電類型的區用導線相聯接；在第一主 表面上至少有兩個絕緣層’各自覆蓋了部分源極區、部分汲 極區及其間的基底區，兩個絕緣層上有導體覆蓋作爲兩個第 -種導電類型的導體'絕緣體-半導體_的閑極，這兩個問 極/刀別控制了作爲兩種載流子的兩個電流源的第一種導電 類型的導體-絕緣體—半導體MIS的電流。 6.如請求項1所述之半導體元件， 電類型的區分爲三個子區，三個子區 固第 ^ ^ ^ . 匕叼弟一個第二種導電 類相互間是相連接的，每個子 個第-種導電類型的區，三個子 ：各自的第- 表面所包圍， ·其中第一個子區内=電=的區及第-主 的區的摻雜劑量較第一個一個第一種導電類型 區的摻雜劑量大，第二個子區 二：種導電類至的 第一個第一種導電類型 39 201236139 的區的摻雜劑量較第二個子區的第二個第二種導電類型的 區的摻雜劑；小’第三個子區内的第二個第一種導電類型 的區與第三個子區的第二個第二種導電類型的區在第一主 表面用浮動歐姆接觸相聯接；第三個子區内的第二個第一 種導電類型的區之内還有第三個第二種導電類型的區，所 述第三個第二種導電類型的區内至少含有兩個第一種導電 =的導體'絕緣體半導豸M丨S,兩個第—種導電類型的 絕緣體-半導體MIS的源極區與構成基底區的第三個 第一種導電類型的區在第一主表面有導體相增"妾，形成兩 個被控制的電極的第一個電I兩個第一種導電類型的導 體'絕緣體-半導體MIS的汲極區分別與第一個子區内的第 :個第-種導電類型的區及第二個子區内的第二個第一種 導電類型的區用導線相聯接；在第—主表面上至少有兩個 絕緣層，纟自覆蓋了部分源極區、部分沒極區及其間的基 底區’兩個絕緣層上有導體覆蓋作爲兩個第一種導電類型 :導體L半導體，的閘極’這兩個閘好別控制了 作爲兩種載流子的兩個電流源的第一種導電類型的導體絕 緣體半導體MIS的電流。 厂如請求項3至6項中任—項所述之半導體元件，所述 _個子區内的第二個第―種導電類型的區用導體相連接 :垃導體還連接了一個不與第二個第二種導電類型的區相 接的第二種導電類型的區。 8 ·如請求項 電類型的區的另 相聯接的方法是 1所述之半導體元件，所述第二個第二種導 一部分與第.二個受控制的電流源的第一埠 做一個被第二個第二種導電類型的區及第 40 201236139 斤ι圍的、並在第一主表面用浮動歐姆接觸與第 :個第二種導電類型的區相聯接的一個第一種導電類型的 =的：做-個被此第一種導電類型的區及第一主表面所包 圍的第二個签- 一種導電類型的區，所述第三個第二種導 類型的區内至少人女 一 3有兩個第一種導電類型的導體·絕緣體_ 半導體MIS，兩個第—種導電類型的導體·絕緣體·半導體 ㈣與構成基底區的第三個第二種導電類型的區 面有導體相聯接，形成兩個被控制的電極的第 個電極，兩個第一種導電類型的導體-絕緣體-半導體MIS 區中的個汲極區内有一個被該汲極區及第一主表 斤包圍的第—種導電類型的區，該第二種導電類型的區 有導線聯接到第二個第二種導電類型的區；在第一主表面 亡至少有兩個絕緣層’ I自f蓋了部分源極區、部分沒極 區及其間的基底區，兩個絕緣層上有導體覆蓋作爲兩個第 :導電類型的導體 '絕緣體-半導體MIS的閘極，這兩個閘 極刀另J控制了作爲兩種載流子的兩㈣電流源的第一種導電 類型的導體'絕緣體_半導體嶋的電流。 、9·如明求項1所述之半導體元件，所述兩個電流源是形 成在第—個第一種導電類型的區内，第三個第二種導電類 型的區與其他半導體區域有絕緣體相隔絕。 如凊求項1所述之半導體元件，所述第二類元胞的 第一種導電類型的導體-絕緣體-半導體MIS的閘是通過導 線聯接到③在第—個第-種導電類型的區在第-主表面内 的一個摻雜t劑量較.大的第一種導電類型的區。 11.如凊求項3、4、5、6或1〇所述之半導體元件，所 41 201236139 述第二個第二種導電類型的區和第三個第二種導電類型的 區之間用一個導體-絕緣體-半導體元件控制其導通； 所述導體-絕緣體-半導體元件是以第二個第二種導電 類型的區作爲所述元件的源極區，以第三個子區的第二個 第一種導電類型的區作爲基底區，以第三個第二種導電類 型的區作爲汲極區； 所述導體-絕緣體-半導體元件或者是在第三個子區的 第三個第二種導電類型區内設立一個第—種導電類型的區 作爲所述元件的源極區，以第三個子區的第三個第二種導 電類型的區作爲基底區，以第三個子區的第二個第一種導 電類型的區作爲沒極區； 所述導體-絕緣體-半導體元件在第一主表面從源極區 的部分經基底區到汲極區的部分有—個絕緣層，此絕緣層 上覆蓋有導體’此導體作爲所述導體·絕緣體·半導體元件的 閘田閘上加電壓可使第二種導電類型的導體_絕緣體_半導 體MIS導通。 12·如請求項4、5、6、8、9或11所述之半導體元件， 斤述第個第一種導電類型的區和第三個第二種導電類 型的區之間形成兩個或兩個以上串聯的二極體。 1 3·如吻求項1所述之半導體元件，所述第-類元胞， 個在第主表面下與其第一個第一種導電類型的區直 接接觸的重摻雜的第一 幻弟檀導電類型的區，此第一種導電類 ^的區在第—主表面有導體直接接觸，還有-個在第-主 二序動歐姆接觸與第二個第二種導電類型的區相聯接 種導電=的第二個第二種導電類型的區内的第二個第- m、f & # °°，還有一個第三個第二種導電類型的區在 所4的第二個笛 _ 第一種導電類型的區内，還有一個第三個第 42 201236139 一種導電類型的區在所述的第三個第二種導電類型的區 内，還有一個第四個第二種導電類型的區在所述的第三個 第一種導電類型的區内；所述的第四個第二種導電類型的 區在第一主表面有導體直接接觸’它通過導線與所述的與 重摻雜的第一種導電類型的區接觸的導體相聯接；所述的 第三個第一種導電類型的區在第一主表面有導體直接接 觸，它通過導線與一個電容的一端相聯接，電容的另一端 與兩個被控制的電極的第一個電極相聯接；電容作爲一個 设置在第二個第二種導電類型的區内的低壓電路的電源， 低壓電路的輸入端是外接控制電壓，低壓電路的輸出端是 作爲受控制的電流源的控制電壓或作爲第二個第二種導電 類型的區的控制電壓。 14.如請求項彳所述之半導體元件，所述接面邊緣終止 區第一邊之内的第一主表面下的一個小區域上設有導體， 此導體通過導線與在接面邊緣終止區第二·、邊之外的一個第 一種導電類型的區相聯接；此第一種導電類型的區除在第 一主畴面之外均被一個第二種導電類型的區所包圍，此第 一種_電類型的區在第一主表面有導體直接接觸，它通過 導線與-個電容的一端相聯接；冑容的另一端與接面邊緣 終止區第二邊之外的第一個第一種導電類型的區相聯接； 電容作爲設在接面邊緣終止區的在第二邊之外的低麗 的電源。 如請求項12所述之半導體元件，在第二個第二種 導電類型的區内做一個第一種導電類型的區，形成第一個 一極體，在第二個第二種導電類型的區内做一個第—種導 43 201236139 電類型的區，此第一種導電類型的區内又做一個第二種導 電類型的區，形成第二個二極體；第二個二極體的第一種 導電類型的區在第一主表面用浮動歐姆接觸與第三個第二 種導電類型的區相聯接；第一個二極體的第一種導電類型 的區通過導線與第二個二極體的第二種導電類型的區相聯 接。 八、圖式：（如次頁) 44