[其他]大功率可控半导体元件

说明书

本发明涉及半导体元件，尤其涉及大功率可控半导体元件，这种元件

-在两个主电极之间有若干个不同的掺杂层;

-有一个用于元件控制的控制电极;

-可分为若干相互并列的并联单一元件;

-每个单一元件上都配有一个控制触点;

-单一元件的控制触点与一共同的控制接线相连，而共同构成控制电极。

经门电路断开（GTO）的可控硅这样一类大功率可控半导体元件，由于其控制简便而在大功率电子装置中得到越来越广泛的应用。

用于大开关功率的这类GTO可控硅，比较典型的是由相当数量（100……＞1000）的单一元件构成，这里所说的单一元件系指相互独立、相互并列，并且并联运行的单个受控的可控硅或组件。

整个元件的载流能力在很大程度上取决于单一元件的不同性能。例如众所周知，一个基本的单一可控硅的承载能力比由若干单一元件组成的组件的平均承载能力可以大一个数量级以上（例如，可参阅美国马萨诸塞州剑桥市1982年6月大功率电子装置专家会议上T·Nagano所宣读的《无缓冲的门电路切断》一文中的图7）。

这里，某一规格的GTO装置的最大截断电流一方面取决于大面积硅衬底上半导体性能的差异。就这一点而论通过精细的工艺过程，比如在进行掺杂和确定寿命时使用照射工艺，可以实现尽可能小的扩散而具有最大的截断电流的目的（参见1986年12月美国洛杉矶国际电子装置会议上A·杰克林和B·亚当的《门电路断开可控硅及其近于完美无缺的工艺》一文）。

另一方面，由于几何方面的原因，一个GTO元件中的触发电流对所有单一可控硅来说分布是不均匀的，这是因为由于单一元件至控制接线或触发接线的距离不同，这样接到金属喷涂层的引线，其电阻也不同。

至于在若干同心环上封装单一元件而组成的GTO可控硅，DE-PS    31    34    074号专利曾建议，在控制时可以通过下述方法克服上面所谈到的由于几何方面的原因造成的不均匀性：控制电流的馈入可以通过位于单一元件的各同心环间的低欧姆环状连接件进行。这一连接件必须通入到与元件接触的复合电极板中，但这种结构制造费用高，精度要求也高。

此外，只要单一元件组成的同心环多于两个，这种连接件的作用便会失效。

另外，这种解决方法也不能消除单一元件控制电流纵向分布的不均匀性。

本发明的任务是，制造一种大功率可控半导体元件，使之既能通过对单一元件的均匀控制而达到控制较大的电流，并且制造成本又低廉的目的。

按照一开始所提到的那种大功率半导体元件，解决这一任务的方法是，在单一元件的半导体衬底上加装介质，以便对各控制触点和控制接线之间不同的线路电阻进行补偿。

以前公布的解决方法是，通过适当的几何排列，从一开始就避免产生不同的线路电阻;而本发明的核心则是，有意识地认可这种线路电阻的不同，但在各有关单一元件的半导体衬底上就地加以补偿。

根据这种方法，通常的触点接合方法仍可继续使用，因为补偿措施仅限于对半导体衬底本身加以改进。

根据本发明的可供选择的结构形式，

-元件采用门电路断开可控硅的结构;

-在阳极和阴极之间上下排有一个p发射极，一个n基极，一个p基极和一个n发射极;

-单一元件由n发射极的指状区构成，这些指状区由装在表面上的p基极包围着;

-作为栅极触点的控制触点用金属喷涂的方法置于装在表面上的p基极上;

-用于补偿线路电阻差异的介质在相应的栅极接点和n发射极的指状区之间的p基极中包含着一个沿元件表面而变化的电阻。

本发明的其它详细结构将在后面阐述。

下面将结合附图，借助结构实例详细说明本发明。这些附图是：

图1：带有附属控制电路等效电路图的GTO可控硅单一元件的部分结构图。

图2：同心环上阴极一侧的GTO可控硅中指状单一元件的已知排列图。

图3：根据图2排列的控制电路的等效电路图。

图4：实验测得的GTO可控硅的门电路电流电压特性曲线图。

图5：用GTO单一元件的横断面说明根据本发明不同结构实例所采取的用于补偿线路电阻差别的措施。

图6：符合本发明的GTO可控硅阴极一侧的扇形断面图，其中的单一元件以不同宽度的绝缘层包围着，以及

图7：径向压降的计算曲线，其中（C）是符合现有技术水平的GTO可控硅，（d）和（e）为符合本发明的GTO可控硅的两种结构形式。