Dispositivo semiconductor de potencia bipolar (1) con un electrodo de emisor (11) que se dispone sobre un lado de emisor (12) y un electrodo de colector (15) que se dispone sobre un lado de colector (16),

que se encuentra opuesto al lado de emisor (12),

teniendo dicho dispositivo un electrodo de puerta en trinchera (2) y una estructura con una pluralidad de capas de diferentes tipos de conductividad, electrodo de puerta en trinchera (2) y capas que se disponen en planos paralelos al lado de emisor (12), comprendiendo cada uno un fondo, que se dispone a una maxima distancia con respecto al lado de emisor (12), hasta la que se extiende el electrodo de puerta (2) o la capa, que comprende:

- al menos una zona de fuente (3) de un primer tipo de conductividad, que se dispone sobre el lado de emisor (12) y que esta en contacto con el electrodo de emisor (11),

- una capa de base (4) de un segundo tipo de conductividad, que se dispone sobre el lado de emisor (12), rodea la al menos una zona de fuente (3) y esta en contacto con el electrodo de emisor (11) y la al menos una zona de fuente (3),

- una capa de colector (8) del segundo tipo de conductividad, que se dispone sobre el lado de colector (16) y que esta en contacto con el electrodo de colector (15),

- una capa de arrastre (7) del primer tipo de conductividad que se dispone entre la capa de base (4) y la capa de colector (8),

- el electrodo de puerta en trinchera (2), que se dispone en el mismo plano que la capa de base (4), electrodo de puerta en trinchera (2) que se aisla electricamente con respecto a la zona de fuente (3), la capa de base (4) y la capa de arrastre (7) mediante una capa de aislamiento (25) y electrodo de puerta en trinchera (2) que comprende un fondo de puerta (211),

- una capa de enriquecimiento (5) del primer tipo de conductividad y una capa de pozo (6) del segundo tipo de conductividad, que se disponen entre la capa de base (4) y la capa de arrastre (7),

en el que la capa de enriquecimiento (5) es contigua a la capa de base (4) hacia el lado de colector (16) y en el que la capa de pozo (6) es contigua a la capa de enriquecimiento (5) hacia el lado de colector (16), caracterizado por que

el dispositivo (1) comprende ademas

- una capa de pozo adicional (62) del segundo tipo de conductividad, que es contigua a la capa de arrastre (7) hacia el lado de emisor (12), y

- una capa de enriquecimiento adicional (52) del primer tipo de conductividad, que es contigua a la capa de pozo adicional (62) hacia el lado de emisor (12) y que se extiende hasta un fondo de capa de enriquecimiento adicional (531), y por que

el fondo de puerta (211) se encuentra mas cerca del lado de colector (16) que el fondo de capa de enriquecimiento adicional (531).

Dispositivo semiconductor de potencia

5 Campo de la técnica

La invención se refiere al campo de la electrónica de potencia y, más particularmente, a un dispositivo semiconductor de potencia de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.

Antecedentes de la técnica

En el documento "A dual gate emissor switched thyristor (DTG-EST) with dual trenched gate electrode and different gate oxide thickness" de D. Kim y col., Microelectronic Engineering 70 (2003) , 50-57 se describe un tiristor conmutado por emisor (EST) de la técnica anterior con una estructura de puerta en trinchera. Un EST de este tipo es un dispositivo semiconductor de potencia bipolar 1' con un electrodo de emisor 11 sobre un lado de emisor 12 de una oblea y un electrodo de colector 15 sobre un lado de colector 16 de la oblea, que se encuentra opuesto al lado de emisor 12. El EST comprende una zona de fuente de dopado n 3 y una capa de base de dopado p sobre el lado de emisor 12. El electrodo de puerta en trinchera 2 se dispone en el mismo plano que la capa de base 4 y éste se aísla eléctricamente con respecto a la zona de fuente 3 y la capa de base 4 mediante una capa de aislamiento 25. Una capa de enriquecimiento de dopado n 5, una capa de pozo de dopado p 6 y una capa de arrastre 7 se disponen en sucesión sobre la capa de base 4. Una capa de colector de dopado p 8 se dispone sobre la capa de arrastre 7 hacia el lado de colector 16 y está en contacto con el electrodo de colector 15.

Las capas se disponen en planos paralelos al lado de emisor 12 y cada capa comprende un fondo, que es la máxima distancia hasta la que se extiende la capa desde el lado de emisor 12. La capa de pozo de dopado p 6 comprende un fondo de capa de pozo 611, que se encuentra más cerca del lado de emisor 12 que el fondo de puerta 211.

La capa de enriquecimiento de dopado n 5 es flotante, mientras que la capa de base 4 y la capa de pozo 6 se conectan en una tercera dimensión y están de este modo en cortocircuito.

El EST tiene un MOSFET de paso a estado de conducción entre la capa de enriquecimiento 5, la capa de pozo 6 y la capa de arrastre 7. Un MOSFET de paso a estado de corte se forma entre la zona de fuente 3, la capa de base 4 y la capa de enriquecimiento flotante 5.

Los diseños de EST en trinchera tal como se muestran en la figura 1 se basan en la introducción de una capa de enriquecimiento de tipo n 5 en la célula de MOS para permitir un funcionamiento de tiristor con la caída de voltaje de estado de conducción más baja posible; en el presente caso, la capa de enriquecimiento actúa como una capa de emisor de tipo n flotante con un dopado hasta y superior a 1.018 cm-3. Un dopado más débil de la capa de enriquecimiento da lugar a que el EST en trinchera funcione en su modo de IGBT caracterizado por un aumento del voltaje en estado de conducción y la aparición gradual de la saturación de corriente de colector. En el presente caso de diseño, la capa de enriquecimiento actúa para mejorar la difusión de portadores y para aumentar el efecto PIN. Para obtener saturación de corriente en un EST en trinchera hasta altos voltajes colector-emisor y una gran área de funcionamiento seguro (SOA) , el dopado de la capa de enriquecimiento ha de limitarse a unos niveles cerca de 45 1.016 cm-3; esto limita el rendimiento de EST en trinchera a un nivel comparable con los transistores bipolares de puerta aislada en trinchera (IGBT) de la técnica anterior, que emplean capas de enriquecimiento de tipo n. En un IGBT en trinchera, la capa de enriquecimiento 5 introduce un campo eléctrico de pico cerca de la unión, limitando de este modo la capacidad de avalancha del dispositivo.

Divulgación de la invención

Un objeto de la invención es la provisión de un dispositivo semiconductor de potencia bipolar que supere las limitaciones tanto de los EST en trinchera como de los IGBT en trinchera con respecto a la compensación entre el voltaje en estado de conducción y la saturación de corriente de colector (a la que se hace referencia también como 55 capacidad de cortocircuito) . En otras palabras, es un objeto la provisión de un dispositivo con bajo voltaje en estado de conducción y, al mismo tiempo, saturación de corriente.

El presente objeto se consigue mediante un dispositivo semiconductor bipolar de potencia de acuerdo con la reivindicación 1.

El dispositivo semiconductor de potencia bipolar de la invención comprende un electrodo de emisor y un electrodo de puerta sobre un lado de emisor y un electrodo de colector sobre un lado de colector, que se encuentra opuesto al lado de emisor. El dispositivo tiene una estructura con una pluralidad de capas de diferentes tipos de conductividad. El electrodo de puerta en trinchera y las capas se disponen en planos paralelos al lado de emisor, comprendiendo 65 cada uno un fondo, que se dispone en una máxima distancia, hasta la que se extiende la capa, desde el lado de emisor. El dispositivo comprende las siguientes capas:

- al menos una zona de fuente de un primer tipo de conductividad, que se dispone sobre el lado de emisor y que está en contacto con el electrodo de emisor,

- una capa de base de un segundo tipo de conductividad, que se dispone sobre el lado de emisor, rodea la al 5 menos una zona de fuente y está en contacto con el electrodo de emisor y la al menos una zona de fuente,

- una capa de colector del segundo tipo de conductividad, que se dispone sobre el lado de colector y que está en contacto con el electrodo de colector,

- una capa de arrastre del primer tipo de conductividad que se dispone entre la capa de base y la capa de colector,

- un electrodo de puerta en trinchera, que se dispone en el mismo plano que la capa de base y comprende un fondo de puerta, electrodo de puerta en trinchera que se aísla eléctricamente con respecto a la zona de fuente, 15 la capa de base y la capa de arrastre mediante una capa de aislamiento,

- una capa de enriquecimiento del primer tipo de conductividad y una capa de pozo del segundo tipo de conductividad, que se disponen entre la capa de base y la capa de arrastre, en el que la capa de enriquecimiento es una capa flotante, que es contigua a la capa de base hacia el lado de colector, en el que la capa de pozo es contigua a la capa de enriquecimiento hacia el lado de colector,

- una capa de pozo adicional, que es contigua a la capa de arrastre hacia el lado de emisor,

- una capa de enriquecimiento adicional, que es contigua a la capa de pozo adicional hacia el lado de emisor y 25 que comprende un fondo de capa de enriquecimiento adicional, y

- en el que el fondo de puerta se encuentra más cerca del lado de colector que el fondo de capa de enriquecimiento adicional.

La porción principal del semiconductor entre dos paredes en trinchera verticales vecinas se llena de una pila dispuesta en horizontal de capas dopadas de forma alternativa. Esta pila puede considerarse como un sistema de superunión horizontal (SJ) , mientras que su funcionalidad en el dispositivo de la invención se desvía del funcionamiento de los dispositivos de potencia de SJ convencionales. Obsérvese que el flujo de corriente principal es perpendicular con respecto a la orientación de la multitud de uniones PN. De acuerdo con los principios de las 35 capas de arrastre de SJ, los dopados de las capas alternas del primer y el segundo tipo de conductividad (todos de pozo y de enriquecimiento) puede aumentarse por encima del nivel de 1.017 cm-3 sin incurrir en el peligro de ruptura prematura. Esto es de una importancia particular a lo largo de los canales verticales del electrodo en trinchera en los que una capa de empobrecimiento de MOS se forma repetidamente durante el funcionamiento del dispositivo. El diseño de la pila de capas horizontales de acuerdo con (o cerca de) las reglas de diseño de SJ (equilibrio de cargas a través de la totalidad de capas dopadas de forma alterna) permite acoplar el estrangulamiento de canal de MOS desde la capa de base 4 hasta el empobrecimiento en la unión entre la capa de pozo y la capa de arrastre. Una característica de diseño de este tipo permite la saturación de corriente de colector hasta unos voltajes colectoremisor muy altos. Por otro lado, una polarización de puerta positiva en el estado de conducción coloca la pila de capas horizontales en un estado de baja resistencia, lo que añade baja resistividad óhmica (obtenida con un alto 45 dopado de capa) y una interacción bipolar de bajo nivel (plasma, exceso de carga de base) entre las capas (el mismo principio que en un tiristor en conducción, superando no obstante la limitación común de cuatro capas) . En conclusión, la característica principal... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo semiconductor de potencia bipolar (1) con un electrodo de emisor (11) que se dispone sobre un lado de emisor (12) y un electrodo de colector (15) que se dispone sobre un lado de colector (16) , que se encuentra opuesto al lado de emisor (12) , teniendo dicho dispositivo un electrodo de puerta en trinchera (2) y una estructura con una pluralidad de capas de diferentes tipos de conductividad, electrodo de puerta en trinchera (2) y capas que se disponen en planos paralelos al lado de emisor (12) , comprendiendo cada uno un fondo, que se dispone a una máxima distancia con respecto al lado de emisor (12) , hasta la que se extiende el electrodo de puerta (2) o la capa, que comprende:

- al menos una zona de fuente (3) de un primer tipo de conductividad, que se dispone sobre el lado de emisor (12) y que está en contacto con el electrodo de emisor (11) , -una capa de base (4) de un segundo tipo de conductividad, que se dispone sobre el lado de emisor (12) , rodea la al menos una zona de fuente (3) y está en contacto con el electrodo de emisor (11) y la al menos una zona de fuente (3) , -una capa de colector (8) del segundo tipo de conductividad, que se dispone sobre el lado de colector (16) y que está en contacto con el electrodo de colector (15) , -una capa de arrastre (7) del primer tipo de conductividad que se dispone entre la capa de base (4) y la capa de colector (8) , -el electrodo de puerta en trinchera (2) , que se dispone en el mismo plano que la capa de base (4) , electrodo de puerta en trinchera (2) que se aísla eléctricamente con respecto a la zona de fuente (3) , la capa de base (4) y la capa de arrastre (7) mediante una capa de aislamiento (25) y electrodo de puerta en trinchera (2) que comprende un fondo de puerta (211) , -una capa de enriquecimiento (5) del primer tipo de conductividad y una capa de pozo (6) del segundo tipo de conductividad, que se disponen entre la capa de base (4) y la capa de arrastre (7) , en el que la capa de enriquecimiento (5) es contigua a la capa de base (4) hacia el lado de colector (16) y en el que la capa de pozo (6) es contigua a la capa de enriquecimiento (5) hacia el lado de colector (16) ,

caracterizado por que

el dispositivo (1) comprende además

- una capa de pozo adicional (62) del segundo tipo de conductividad, que es contigua a la capa de arrastre

(7) hacia el lado de emisor (12) , y -una capa de enriquecimiento adicional (52) del primer tipo de conductividad, que es contigua a la capa de pozo adicional (62) hacia el lado de emisor (12) y que se extiende hasta un fondo de capa de enriquecimiento adicional (531) , y por que el fondo de puerta (211) se encuentra más cerca del lado de colector (16) que el fondo de capa de enriquecimiento adicional (531) .

2. Dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el dispositivo (1) comprende además al menos un conjunto de una capa de enriquecimiento más adicional (55, 55') y una capa de pozo más adicional (65, 65') , en el que la al menos una capa de enriquecimiento más adicional (55, 55') y la al menos una capa de pozo más adicional (65, 65') se apilan entre la capa de pozo (6) y la capa de enriquecimiento adicional (52) , 45 en el que, para cada conjunto, la capa de enriquecimiento más adicional (55, 55') se dispone más cerca del lado de emisor (12) que la capa de pozo más adicional (65, 65') .

3. Dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado por que al menos una capa de enriquecimiento más adicional (55, 55') tiene una concentración de dopado más elevada que la capa de arrastre (7) .

4. Dispositivo (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que al menos una de la capa de enriquecimiento (5) y la capa de enriquecimiento adicional (52) tienen una concentración de dopado más elevada que la capa de arrastre (7) .

55 5. Dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que la capa de pozo adicional (62) se extiende hasta un fondo de capa de pozo adicional (631) , en el que el fondo de capa de pozo adicional (631) se dispone más cerca del lado de colector (16) que el fondo de puerta (211) , y por que una capa de conexión (58) del primer tipo de conductividad se dispone de tal modo que ésta es contigua a, y de este modo conecta, la capa de aislamiento (25) y la capa de arrastre (7) .

6. Dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado por que la capa de conexión (58) se dispone en el mismo plano que la capa de pozo adicional (62) dentro de un área entre el electrodo de puerta (2) y la capa de arrastre (7) .

65 7. Dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado por que la capa de pozo adicional (62) se extiende al interior de un área entre el electrodo de puerta (2) y la capa de arrastre (7) o la capa de pozo adicional

(62) se limita a un área lateral a la capa de aislamiento (25) y que es contigua a la capa de aislamiento (25) .

8. Dispositivo (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que el dispositivo (1) comprende además una capa de ánodo (85) del primer tipo de conductividad, que tiene una concentración de dopado más elevada que la capa de arrastre (7) , y capa de ánodo (85) que se dispone en el mismo plano y a continuación de la capa de colector (8) .

9. Dispositivo (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que el dispositivo (1)

comprende además una capa amortiguadora (75) del primer tipo de conductividad, que se dispone entre la capa de 10 arrastre (7) y la capa de colector (8) .

10. Dispositivo (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que el espesor de la capa de pozo adicional (64) se mide entre el fondo de capa de enriquecimiento adicional (531) y como máximo hasta el fondo de puerta (211) , y por que todas las capas de enriquecimiento (5, 52, 55, 55') y todas las capas de pozo (6, 62, 65, 65') tienen el mismo espesor.

11. Dispositivo (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por que una concentración de dopado de la capa de pozo adicional (64) se mide entre el fondo de capa de enriquecimiento adicional (531) y como máximo hasta el fondo de puerta (211) , y por que todas las capas de enriquecimiento (5, 52, 55, 55') y todas las capas de pozo (6, 62, 65, 65') tienen la misma concentración de dopado.

12. Dispositivo (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado por que Σ Npi tpi = k Σ Nni tni en la que Nni es una concentración de dopado de una capa de enriquecimiento (5, 52, 55, 55') ; en la que Npi es la concentración de dopado de una capa de pozo (6, 62, 65, 65') ; tpi, tni es el espesor de dichas capas;

k es un factor entre 0, 5 y 2 o entre 0, 67 y 1, 5; en el que el espesor y la concentración de dopado de la capa de pozo adicional (64) se mide entre el fondo de capa de enriquecimiento adicional (531) y como máximo hasta el fondo de puerta (211) .

13. Dispositivo (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado por que el dispositivo se 35 fabrica sobre una base de una oblea fabricada de silicio o GaN o SiC.