功率半导体部件、包括其的功率半导体组件及其操作方法

摘要

本发明涉及功率半导体部件、包括其的功率半导体组件及其操作方法。提供一种功率半导体部件，该功率半导体部件包含半导体主体(1)和两个负载端子(21、22)。此外还提供有电位探针(3)，其设计成对于施加于两个负载端子(21、22)两端的电压(V1-V2)而分出存在于半导体主体(1)的抽头位置(4)处的半导体主体(1)的中间电位(Vz)，所述中间电位是两个负载端子(21、22)的电位(V1、V2)的中间值，但不同于两个负载端子(21、22)的两个电位(V1、V2)中的每一个。

说明书

技术领域

本发明涉及功率半导体部件。

背景技术

功率半导体部件常常由高电压供电。在许多情况中，对能将所施加的电压用作用于开环控制或闭环控制电子设备的输入变量存在兴趣。因为这样的开环控制或闭环控制电子设备被方便地设计为仅仅处理低电压，施加到功率半导体部件的高电压必须首先被转换为与高电压对应的信号，该信号然后被施加到该开环控制或闭环控制电子设备。

这例如可以利用电阻分压器来完成，但是该电阻分压器具有不可忽视的功率损失这一缺点。尽管为了回避这个问题，可以使用电容分压器，然而，这里，尤其是在施加直流电压时分压可能因为漏电流而易于漂移，使得必须对电容进行所限定的放电，这使事情变得复杂。

本发明的一个方面是提供一种功率半导体部件，其现在使得可以推断施加到该部件的电压而无需单独的分压器。另一方面涉及提供具有相应功率半导体部件的功率半导体组件，从而可以推断施加到该功率半导体部件的电压。又一个方面将限定一种用于操作相应功率半导体部件的方法。

发明内容

如下所详述的以超过30V的电阻断能力为特征的功率半导体部件包含半导体主体以及两个负载端子和电位探针。电阻断能力是两个负载端子两端的阻断电压，该部件能够保持阻断电压而不发生击穿。电位探针被设计成对于施加于该两个负载端子两端的电压而分出(tap)存在于半导体主体中的抽头位置的电中间电位。尽管中间电压是该两个负载端子的电位的中间值，但它不同于其两个电位中的每一个。选择抽头位置以便在最大阻断电压施加于所述负载端子两端时，电位探针的电位与施加到所述负载端子的两个电位中的至少一个相差最大100V。

组合一个这样的功率半导体部件与导电地连接或可连接到电位探针的检测器得到功率半导体组件，现在可以利用其通过分析电压而不必分出功率半导体部件两端的全高电压降而获得施加到功率半导体部件的高电压的定性或定量指示。

如上所解释的那样，在操作功率半导体部件时，施加到其负载端子的电位不同。借助于电位探针，施加到该两个负载端子的电位的电位中间值被分出。

附图说明

参考下图以及说明可以更好地理解本发明。图中的部件不必按比例绘制，而是在说明本发明的原理时被加以强调。此外，在图中，类似的参考数字指示对应部分。在图中：

图1是通过功率半导体部件的垂直截面，在功率半导体部件主体中，形成沟道，电位探针延伸进入沟道以分出存在于该半导体主体中的沟道的末端处的电压；

图2是通过功率半导体部件的垂直截面，该功率半导体部件构造得与图1所示的功率半导体部件相同，除了电位探针的末端延伸进入半导体主体而不是远至主pn结；

图3是通过功率半导体部件的垂直截面，该功率半导体部件构造得与图1以及图2所示的功率半导体部件相同，除了电位探针的末端延伸直到主pn结；

图4是通过功率半导体部件的边缘区域的垂直截面，该功率半导体部件的边缘终端结构包括场板，在该处电压可以被分出；

图5是如图2所示的组件的俯视图；

图6是功率半导体部件的一部分的俯视图，该功率半导体部件的主体在pn结的边缘区域中被金属化为电位探针；以及

图7是通过功率半导体部件的垂直截面，该功率半导体部件包含设置抽头位置的可变横向掺杂边缘终端。

具体实施方式

在下面的具体实施方式中，参考附图，其形成具体实施方式的一部分，并且在附图中通过图解说明来示出具体实施例，在具体实施例中可以实施本发明。在这点上，方向性术语，诸如“顶部”、“底部”、“前”、“后”、“在前的”、“在后的”等参考所描述的(多个)图的取向来使用。因为实施例的部件可以以许多不同的取向定位，所以方向性术语是用于图解说明的目的而非限制性的。应当理解在不偏离本发明的范围的情况下可以利用其他实施例以及可以作出结构上或逻辑上的改变。因此，以下具体实施方式不应以限制性的意义来理解，并且本发明的范围由所附权利要求所限定。

现在参考图1，通过示例图解说明了功率半导体部件100，其被配置为包括半导体主体1的IGBT，所述半导体主体1由硅、碳化硅或任何其他半导体材料制成。半导体主体1包含正面11以及与其相对的背面12。功率半导体部件100包含两个负载端子21以及22，至少在功率半导体部件100工作的某些阶段，跨过负载端子21以及22实现从负载端子21、22中的一个通过半导体主体1到负载端子22、21中的另一个的电流。例如，可以借助于功率半导体部件100的栅电极在涉及诸如MOSFET、IGBT或J-FET的晶体管的地方改变该电流。在诸如晶闸管的其他部件中，该电流至少可以通过以电的方式或光的方式启动功率半导体部件100来接通。其他适当的部件，例如二极管，不具有栅电极。依赖于所涉及的部件的类型，负载端子21、22可以是漏极或源极、发射极以及集电极、或阳极电极和阴极电极，该分配是可选的。

在图1所示的组件中，功率半导体部件100例如被配置为IGBT，然而，将理解任何其他功率半导体部件，特别是如上所列举的功率半导体部件，基本上是可兼容的。

为了实现IGBT结构，半导体主体1包含堆叠在背面12上的强p掺杂发射极16、弱n掺杂漂移区15、强p掺杂主体区18以及强n掺杂源区19。夹在主体区18和漂移区15/场停止区17之间的是主pn结73。第一负载端子21在正面11接触源区19，负载端子22在背面12接触p发射极。在本申请的意义上，部件的主pn结应理解为当接通时，部件的负载电流经由其流动并且在截止时在其处由负载电流形成抑制宽的空间电荷区的部件的pn结。例如，在二极管中，主pn结形成在p掺杂阳极区和n掺杂阴极区之间，而在晶闸管中，其形成在p掺杂基区和n掺杂基区之间。

为了选通跨过该负载端子21和22的电流，提供利用电介质42在电学上与半导体主体1以及与负载端子21、22隔离的栅电极41。

在部件100工作时向第一负载端子21施加第一电位V1以及向第二负载端子22施加不同于第一电位V1的第二电位V2，在半导体主体1中产生电场，其可以通过等位面描述，对于每个等位面可以分配某一电位。分配到这些等位面的电位居于电位V1和V2之间。电位V1和V2分别仅在正面11以及背面12处被获得。半导体主体1的电位不同于分别施加到负载端子21和22的电位V1和V2，但是其是二者的中间值，称为中间电位Vz。

本发明在使用如下事实时提供这样的中间电位Vz，即其涉及分别施加到负载端子21以及22的电位V1以及V2，由此只要该中间电位Vz是相对于部件100的某一其它适当电位来被分析的，现在就可以获得负载端子21以及22两端的电压降的定性或定量指示。作为用于此目的的参考电位，例如可以使用第一负载端子21的电位V1或第二负载端子22的电位V2。

被提供来分出如图1所示的组件中的中间电位Vz的是电位探针3，其特征在于被设置在配置在半导体主体1中的沟道中的部分31，以在半导体主体1的抽头位置4分出中间电位Vz。为此目的，沟道以及部分31例如可以基本上垂直于正面11延伸进半导体主体1中。抽头位置4被设置在沟道的最低点。侧向地，部分31利用电介质14a与半导体主体1绝缘以便在部分31和半导体主体1之间仅在沟道底端、即在抽头位置4处存在导电连接，其中，部分31由例如多晶半导体材料或金属制成。

为了例如利用检测器6检测中间电位Vz，电位探针3包含接合垫32，电连接元件7(例如接合线)被接合到所述接合垫32，所述电连接元件7被或可以被导电地连接到检测器6。接合垫32可以具有至少50μmx50μm的占地面积。应理解接合线7和检测器6之间的连接仅仅是以图解说明的方式示出，换句话说，接合线7未必是如所示那样直接结合到检测器6。为了将接合垫32与半导体主体1的正面11电隔离，电介质14b附加地配置在接合垫32和半导体主体1之间。

虽然负载端子21和22两端的电位差在部件100接通时典型地可以是可以由常规低电压电子设备直接检测的仅仅几伏，但在部件100为阻断状态时，其可以是几百伏、几千伏或甚至超过10000伏。部件100的设计支配其最大容许阻断电压，如果被超过，其将导致部件100损害以至毁坏。通过监控抽头位置4处中间电位Vz以从所检测的中间电位Vz获得负载端子21和22两端的电位差V1-V2的第一定性或定量指示可以避免上述问题-如果施加到负载端子21和22两端的电压超过或引起超过最大容许电压的危险，可以采取校正动作以降低或关断施加到负载端子21和22两端的电压。

这样的校正动作例如可以涉及评估通过检测器6检测的中间电位Vz以及完全或部分激活部件100以在存在负载端子21和22两端的最大容许阻断电压被超过的风险时提高(boost)其电导率。为此目的，检测器6可以以输出端62为特征，所述输出端62被或可以被耦合到部件100的栅电极41。在本示例实施例中，该电极是栅电极41，但是在其它部件中，这样的栅电极例如可以是基极或触发电极，仍可能的是提供任何其它选通装置，例如光启动结构(light-firing structure)来代替栅电极。

特别是对于如图1所示的垂直功率半导体部件100来说，将包括延伸进入到包括在半导体主体1中的沟道内的部分31的电位探针3插入不存在问题。依赖于负载端子21和22两端的最大容许阻断电压和功率半导体部件100的各个半导体区15、16、场停止层17、18、19的几何结构和掺杂，限制用电位探针3作为最大值检测的中间电位Vz可以被设置为如下的值，该值就像由常规低电压电子设备仅仅通过选择限定抽头位置4的部位的沟道的深度来可直接检测的值。

适当地选择抽头位置4的部位目前可以实现对于第一负载端子21的电位V1和/或第二负载端子22的电位的最大容许阻断电压来说的中间电位Vz相差不超过规定值，例如30V，从而可以仅由检测器6就能检测到，就像由常规低电压电子设备在检测中间电位Vz和电位V1和/或V2之间的电位差时所实现的那样。

在如图1所示的组件中，电位探针从正面11延伸进入到半导体主体1内。然而，仍可能的是，作为其代替或者作为替换的是电位探针3从背面12或从半导体主体1的侧边相应地延伸进入到半导体主体1内。在该如图1所示的示例实施例中，抽头位置4在漂移区15中。然而，再次，仍可能的是其可以被设置在任何其它半导体区16、17或18中。

在如图1所示的组件中，与主pn结73间隔开的抽头位置4被设置在主体区18内，所述主体区18与主pn结73接界。如图2所示，当被设置为与主pn结73间隔开时，抽头位置4也可以被设置在漂移区15内，所述漂移区15与主pn结73接界。在另一方面，如图3所示，抽头位置可以直接被设置在主pn结73处。

现在参考图4，另一个示例实施例被图解为通过二极管侧边区域的垂直截面，该二极管的半导体主体1包含弱n掺杂漂移区15，其中强p掺杂区72被嵌入并且从半导体主体1的正面11延伸进入其中。强p掺杂区72与漂移区15形成主pn结73。

为了尽可能均匀地降低从主pn结73发出的电场而又同时防止禁止的场浪涌，特别地在半导体主体1的正面11处，包括场板23、24、25的边缘结构被配置在第一负载端子21和半导体主体1的、其正面11处的侧边13之间。为了电连接场板23、24、25，分别提供向上延伸到正面11的场环(field ring)53、54和55(每个与漂移区15互补地掺杂)，在正面11处，场环53、54和55连接到相应的场板23、24或25。场板23、24、25分别利用电介质83、84和85与漂移区15另外电隔离。场板23、24、25是导电的并且可以由例如金属或多晶霍耳效应材料制成。

在部件100的阻断状态下，每个场板23、24、25具有不同于负载端子21的电位V1、不同于负载端子22的电位V2以及不同于其他场板23、24、25的电位的电位。场板23、24、25的每个电位因此在本发明的意义上代表中间电位。在如图4所示的部件100中，例如，最接近于负载端子21的场板23的电位被用作中间电位Vz。抽头位置4由场环23和场环53之间的接触垫给出。

为了向检测器6馈送部件100的中间电位Vz，在电位探针3和检测器6之间需要导电连接，这可以例如利用接合到电位探针3的接合线7来完成。

在如图5所示的正面11的俯视图中，图解如何为此目的电位探针3包含集成在场板23中的接合垫32。为此目的，场板23具有局部加宽的横向部分。

现在参考图4和5，借助示例，图解中间电位Vz如何可以不仅仅从场板23而是如有必要例如利用接合线也从其他场板24或25中的任一个场板被相应地分出。同样地其可以具有如下优势：边缘区域中的电位可以借助于在pn结部位处的场板结构被分出。另外，不同于参考图4和5所说明的场板结构的场板结构可包含仅仅一个、两个或多于三个的场板23、24、25，来代替如所示的三个场板23、24、25，如所说明的那样，其每个被用作电位探针，只要其预期的中间电位Vz在大小上是适当的。除此以外，场板结构可以不仅用于二极管中而且还用于其他部件中。

为了制作本示例实施例中的电位探针3，接合垫32集成在部件100的场板结构中。然而，应当理解用于利用接合垫32固定(tab)中间电位Vz的电位探针3未被约束在场板结构23、24、25上。上述的示例从如图4和5所示的没有配备场板结构的修改部件可看出。在该情况下，仅仅一个被配置为金属接合垫32的电位探针3被跨过负载端子21和半导体主体1的、在正面11处的侧边13而施加于半导体主体1的正面11。诸如这样的结构在边缘区域两端的电压降借助于弱导电层(例如具有a-C：H盖层)而呈对称时是特别有利的。在该情况下，中间电位Vz将对应于抽头位置处的边缘结构的电阻分压器的中间电位。

在包括场板结构的部件中同样仍可能的是对半导体主体1施加未被配置为围绕负载端子21的环形场板的简单接合垫32，作为相邻场环之间的、或第一负载端子21和最接近于第一负载端子21的场板之间的、或最远离第一负载端子21的场板和半导体主体1的侧边13之间的电位探针。

现在参考图7，类似于图4，图解了这样的二极管，其边缘终端包含可变横向掺杂(VLD)边缘终端来代替场环场板结构(图4中的53、54、55、23、24、25)，所述可变横向掺杂(VLD)边缘终端即这样的边缘终端，其中漂移区15的净掺杂剂浓度ND的降低(degradation)在横向r上从主pn结73到半导体主体1的侧边13至少是逐段单调的或严格单调的，如由在图7下方所示的净掺杂剂浓度ND的分布所示的那样。为了在半导体主体1正面11避免不需要的电压浪涌，电阻层90被施加于正面11上的边缘区域。一个这样的电阻层90可以包含例如小于10-7的电导率，而且其可以被配置为例如a-C：H层，换句话说，被配置为氢掺杂无定形碳层。这样的电阻层90可以制作有限定的边缘区域并且因而起分压器的作用。在这样的电阻层90的凹口中，可以设置例如接合垫32形式的电位探针的抽头位置4，在此处中间电位Vz依赖于电阻层90如何被构造，从而由此被影响。因此，电阻层90的厚度和/或比电阻可以被设计以满足需要，它们每个彼此独立，被选择为恒定的或可变的。

如上面例如参考图1-图7所解释的那样，空间电荷区形成在双极性部件100的处于阻断状态下的主pn结73处。该空间电荷区的宽度越增大，阻断电压越高。在空间电荷区以外，半导体主体1中的电场的梯度非常小，即相比于在空间电荷区内的边缘区域中的变化，边缘区域中仅仅存在极小的变化。如图1和2所示，当抽头位置4设置成与主pn结73间隔开时，施加极小的阻断电压导致最初形成在负载端子21和22两端的极窄的空间电荷区，其仍将达到抽头位置4。这是为什么由电位探针3检测的中间电位Vz几乎不存在任何变化的原因。

中间电位Vz不存在显著的变化直到空间电荷区以增加的阻断电压达到抽头位置4为止。这是为什么当电位探针3意图检测负载端子21和22两端的电位中的甚至微小的差异时将抽头位置4设置在主pn结73附近或直接设置在主pn结73处是有利的原因。

如果重要的事情恰恰是检测负载端子21和22两端的电位中的更高的差异，例如以保护部件100免受即将来临的过电压，则抽头位置4和主pn结73之间的较大的间距可能是足够的。

不管电位探针3的抽头位置4被设置在双极性部件100的何处(例如垂直掩埋在半导体主体1中，如图1-3所示；或例如在半导体主体1的正面11处的边缘区域中，如图4-7所示)，结构化在抽头位置4的区域中的功率半导体部件100由以下考虑事项来支配。当电位探针如上所解释的那样准确地被设置在主pn结73的位置处时，那么，关于对于如施加在负载端子21和22之间的每个外部阻断电压V2-V1(不是零)的负载端子21和/或负载端子22，检测电压Vz-V1或V2-Vz，其在一级近似中与电压V2-V1成比例。比例因子由在其之间形成主pn结73的半导体区的掺杂剂浓度决定。在一级近似中：

$\mathrm{Vz}-V1\propto \frac{N21}{N22}·(V2-V1)$

其中N21和N22是在其之间配置主pn结73的半导体区的净掺杂剂浓度，并且其中与负载端子21相隔较近的半导体区包含净掺杂剂浓度N1而另一个包含净掺杂剂浓度N2。

该两个净掺杂剂浓度中较低的一个是部件100的阻断能力的决定因子。当相对于面对较高净掺杂剂浓度的负载端子21或22(图1-4中的第一负载端子21，因为主体区18或强p掺杂区72的净掺杂剂浓度与漂移区15相比较高)来分析中间电位Vz时，那么通过适当地选择具有较高净掺杂剂浓度的半导体区的净掺杂剂浓度，电位差Vz-V1可以被限制为例如100V或50V或30V的最大值。

以这种方式限制该电位差可以利用例如如图1-3所示的场停止层17(即，例如层顺序结构化的p/n-/n+)来实现，但由于场停止层17的场效应而使得Vz-V1不再与外部电压V2-V1成比例。

将电位探针3的抽头位置4设置得与主pn结73隔开导致-相对于形成主pn结73的半导体区中布置的两个负载端子21、22的一个设置抽头位置4-极限电压(V2-V1)最小值，在该值以下(实际上)检测不到电位差Vz-V1。正是以这种方式通过适当地选择抽头位置4的部位，在高于施加在两个负载端子21和22两端的极限电压之前不能获得显著区别于零的电位差。该极限电压对应于负载端子21和22两端的电压，在负载端子21和22处空间电荷区达到抽头位置4。

如上所解释的那样，电位探针的抽头位置4处的中间电位Vz是所涉及的半导体主体1的各区的净掺杂剂浓度的函数，对于双极性部件100而言，特别是配置主pn结73的半导体区15和18或72的净掺杂剂浓度的函数。为了补偿部件的制造中由于所涉及过程所造成的波动，净掺杂剂浓度随后可以在这些半导体区的所有或一些中被修改，例如通过将质子注入在半导体主体1中以利用随后在适当的温度下的半导体主体1的回火(temper)来微调(tweak)注入区的净掺杂剂浓度。

在本发明的所有方面中，抽头位置可以与两个负载端子21和22隔开。例如，抽头位置4和两个负载端子21和22中的每一个之间的间距可以超过2μm。此外，抽头位置4和两个负载端子21、22中的至少一个之间的间距可以小于100μm。电位探针3可以包括例如超过10μS(S＝西门子)的电导率。

应当理解，虽然上面通过具体示例解释了本发明的基本原理，但是对其的修改当然是可能的。尤其，半导体部件可以包含两个或更多这样的电位探针来代替仅仅一个电位探针，两个或更多这样的电位探针的类型可以在半导体部件中变化，以形成其任何可选组合。在采用至少两个电位探针的情况中，负载端子两端的电位差V2-V1也可以通过检测两个电位探针的中间电位之间的差值来获得。

本发明可以应用于所有种类的功率半导体部件，例如可以应用于垂直或横向功率半导体部件。

尽管已经公开了实现本发明的各种示例，但对于本领域技术人员来说显而易见的是在不偏离本发明精神和范围的情况下可以作出各种变化和修改，其实现本发明的某些优点。对本领域技术人员来说明显的是执行相同功能的其他部件可以被适当地替换。对本发明构思的这样的修改意图于由所附权利要求涵盖。