[发明专利]双向功率半导体器件

说明书

提供具有在两个电流方向上的完全关断控制以及改进的电和热特性的双向功率半导体器件（1），该器件（1）包括彼此交替的多个第一栅极换向晶闸管（GCT）单元（20）和多个第二GCT单元（40），每个第一GCT单元（20）的第一基极层（23）通过第一分离区域（50）与相邻的第二GCT单元（40）的相邻的第二阳极层（45）分离，并且每个第二GCT单元（40）的第二基极层（43）通过第二分离区域（60）与相邻的第一GCT单元（20）的相邻的第一阳极层（25）分离。

发明领域

本发明涉及根据权利要求1的前序的双向功率半导体器件。

背景技术

在诸如矩阵转换器和直流（DC）断路器的许多应用中，要求双向功率器件功能性来阻断电压并在两个方向上传导电流。功率半导体器件（例如从JP 57-049269A已知的三端双向可控硅开关或从EP 0880 182 B1已知的双向控制晶闸管（BCT））提供此种功能性，但完全切换控制仅限于接通。此外，在这些功率器件中，只有一半的晶圆面积被用于每个电流方向或极性。

为了实现完全关断控制，已经报道了具有在两侧上采用发射极MOS结构同时使用金属氧化物半导体（MOS）单元p阱作为相对发射极的阳极的绝缘栅双极晶体管（IGBT）。然而，难以在IGBT芯片的两侧上实现此种结构，因为平面端子（termination）受到用于封装的随后的管芯附连的约束，并且栅极通路还增加了进一步的复杂度。这个问题在具有高于1200V的额定电压的较高电压器件中尤其突出。因此，传统上更容易在具有在标准压接封装中封装的斜面端子的晶闸管或栅极换向晶闸管（GCT）晶圆中实现反向阻断（RB）或双向器件。

对于双向功率半导体器件功能性，现今通常以反并联配置使用两个反向阻断（RB）功率半导体器件，或者以背对背配置使用两个反向传导（RC）功率半导体器件。

当两个RB功率半导体器件以反并联配置连接时，这具有以下缺点：只有这两个RB功率半导体器件中的一个的器件面积（device area）用于每个电流方向。相应地，这种配置引起大的器件并且热管理变得困难，因为热生成不均匀分布在整个器件面积上。后者能够容易地引起过热问题。另一方面，具有以背对背配置的两个RC功率半导体器件的配置具有高损耗的缺点，因为两个器件的损耗在串联连接中相加。

已知的反向传导功率半导体器件是在单个功率半导体器件内组合一个或多个栅极换向晶闸管（GCT）和一个或多个二极管的反向传导栅极换向晶闸管（RC-GCT）。WO 2012/041958 A2中公开的双模式栅极换向晶闸管（BGCT）是RC-GCT，其在单个半导体晶圆中包括彼此并联电连接的多个栅极换向晶闸管（GCT）单元，以及分布在GCT单元之间的多个二极管单元。二极管单元也彼此并联电连接并且连接到GCT单元，尽管以相反的正向方向。已知的反向阻断功率半导体器件是与RC-GCT不同的反向阻断栅极换向晶闸管（RB-GCT），因为它不具有与GCT单元并联连接的二极管单元。

EP 0110777 A1示出两个单反向阻断GCT单元区的反并联配置。单个第一GCT单元区和单个第二GCT单元区之间的分离由从半导体晶圆的第一或第二主侧通过形成两个GCT单元的阳极和基极层的p掺杂层穿透到漂移层的两个沟槽形成。由沟槽（即由空气）制成的第一和第二单元区之间的分离引起两个单元区之间的低热接触，使得阻止热量扩散出单元区，在其中已经产生热。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺点，本发明的目的是提供双向功率半导体器件，其允许完全关断和接通的切换控制，并且其有效地利用对于两个电流方向的整个器件面积以提供具有良好电和热特性的小的器件。

该目的通过根据权利要求1的双向功率半导体器件来实现。