专利名称：双向功率半导体元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力电子学领域。本发明基于权利要求1的说明部分中所要求保护的双向功率半导体元件。
为了达到“理想开关”的目标，需要得到一种功率半导体开关，能双向导通和关断，并容纳在一个管壳中，仅有一个控制连接部分，因此从外部可以认为是一个整个元件。
一般来说，可以两种方式制造双向功率半导体元件一方面，两个反接的晶闸管容纳在一个共同的管壳内或甚至在一个共同的半导体晶片上。德国公开说明书DE 44 39 012采用了这种措施。然而，这种解决方法的缺点是需要两个分离的控制连接部分，由此需要两个相互独立的驱动单元。此外，不可能客观地和相互独立地优化元件的操作参数。
另一方面，对于双向晶闸管，即双向地导通和关断并且只有一个控制连接部分的晶闸管已公知很长时间了。然而，作为不可能获得高阻断容量(极限约1KV)或高载流容量(最大约10A)的事实的结果，它的工作范围受到物理极限的限制。因此，双向晶闸管不适合高功率的应用。然而，对于例如很小型的有源逆变器的结构，特别是对于冷却和夹紧系统，它的基本特性，也就是说双向导通和关断的能力以及仅有一个控制连接部分具有重要的意义。
因此，本发明的一个目的是提供一种能用于很高功率级别的新颖的双向功率半导体元件。此外，该元件仅有一个控制连接部分。该目的可以由独立权利要求1的特征达到。
由此本发明的基本内容是第一晶闸管和第二晶闸管极性相反地串联连接，每个单元(case)内的二极管与晶闸管反接。两个栅极相互连接形成公用的控制连接部分。以此方式，可以得到能双向地导通和关断并集成到共同的管壳中的元件。
晶闸管和二极管可以单独地优化。一种特别优选的解决方法是晶闸管具有对称阻断特性的情况。此外，晶闸管和二极管可具有停止层并集成在一个共同的半导体晶片上。两个半导体晶片可以容纳在压力接触管壳内。
进一步有利的实施例来自适当的从属权利要求。
本发明的一个主要优点在于与双向晶闸管相比，功率半导体元件可用于很高功率级别，并且在于与最初提到的能双向导通的元件相比，参数可以单独设置。借助于根据本发明的功率半导体元件，能够设计极紧凑的变换器，其中特别对于冷却和夹紧系统，可以非常显著地减少复杂性。
通过下面结合附图的详细介绍，可以容易地得到本发明的更完整的了解以及本发明的许多附带优点，并能更好地理解本发明，其中
图1示出了根据本发明的功率半导体元件的等效电路；图2示出了用于本发明目的并具有集成的二极管的晶闸管的平面图；图3示出了在一个管壳内根据本发明基于第一个变形的功率半导体元件；图4示出了在一个管壳内根据本发明基于第二个变形的功率半导体元件。
图中使用的符号及其含义以汇总形式列出在符号表中。
1 功率半导体元件2 晶闸管3 二极管4 阳极5 阴极6 门极7 控制连接部分8 半导体晶片9 管壳10 压力接触件11 接触盘12 接触环13 接触系统14 辅助阴极连接15 绝缘体16 通道
17 边缘钝化物18 连接线19 接触法兰20 门极指21 边缘端接区下面参考附图，其中在几个图中，相同的参考数字表示相同或相应的部分，图1示出了根据本发明的功率半导体元件1的等效电路。两个晶闸管2极性相反地串联连接，由此两个阴极5相互连接。二极管3在每个单元中与晶闸管2反接。晶闸管2的门极6类似地相互连接并形成公用的控制连接部分7。连接的阴极5也形成辅助的阴极连接部分14。
元件工作如下如果两个晶闸管借助控制连接部分的适当的控制信号导通时，那么上晶闸管和下二极管导通图1中从上到下流动的电流。当电流从下到上流动时，由下晶闸管和上二极管输运电流。如果电流变换后并且从公用的控制连接部分7去掉控制电流后，两个晶闸管2切换到截止状态，那么两个晶闸管关断，由于两个二极管反向连接，因此没有电流流动。
如图2所示，晶闸管2和相关的二极管3优选容纳在共同的半导体晶片8上。晶闸管2有利地具有非对称阻断特性，也就是说它们仅有一个高阻断容量的pn结。然而，根据本发明的布局允许设计的元件能双向地导通和关断，是由于通过第二晶闸管可以制成第二高阻断容量的pn结。在半导体晶片上，二极管3同心地环绕晶闸管2，可以看出它的门极指(gate fingers)20很小。这样特别具有减少导通损耗的优点。晶片8端接于边缘端接区21的边缘。
根据本发明，二极管3和晶闸管2优选提供有停止层。这样允许在相同的阻断容量下减少半导体晶片8的厚度。对于晶闸管，耗尽层安排在阳极发射极内，对于二极管，耗尽层安排在阴极区内。此外，通过设置晶闸管2中的载流子寿命可以单独地优化元件的恢复时间，通过设置二极管3中的载流子寿命可以单独地优化它的载流子存储电荷。目的是优化操作参数的该能力代表了根据本发明的元件的主要优点。特别是在双向晶闸管或最初提到的能双向导通的晶闸管中，这可能非常复杂。元件的具体应用的优化以根据本发明的方式进行。与单独的元件相比，正向损耗和切换损耗之间的折衷得到改善。特别是，这样也可以减少需要的保护电路的量。
根据本发明的元件也特别适于两个半导体晶片容纳在一个共同的管壳内。图3和4示出了压力接触管壳的相应的例子。管壳9有两个压力件(pressure stamp)10，通过接触盘11与半导体晶片8接触。接触环12提供在半导体晶片18之间并连接晶闸管的阴极和二极管的阳极。接触系统13提供在接触环12的中心切断处，在最简单的例子中，接触系统13为连接两个晶闸管的中心门极的弹簧，用于公用的控制连接部分7。此外，接触环12具有研磨区，连接到接触系统13的连接线18以绝缘方式通过研磨区连通到外部。接触环12也连接到形成辅助阴极连接部分14的连接线18。管壳9由如陶瓷制成的环形绝缘体15密封，通过接触法兰19在上部和下部密封。用于控制连接部分7和辅助阴极连接部分14的连接线18的通路16提供在绝缘体15内。接触盘11和接触环12优选由钼制成，压力件10由铜制成。半导体晶片8的边缘提供有由特别是有机或无机材料制成的边缘钝化物17。
根据图4的示例性实施例与根据图3的实施例的不同之处在于接触法兰19是弯曲的并连接在压力件10和接触盘11之间。
本发明并不仅限于使用普通晶闸管。同样也可以使用门极可关断晶闸管或IGBT。晶闸管也可以为光控的。总之，根据本发明的元件允许高达12KV的高电压载流容量和可接受的正向损耗。同时可以获得高电流载流能力。与晶闸管相比，动态特性优良。此外，形成公用的控制连接可以节约驱动电路。
显然，根据以上的说明可以对本发明做出大量的修改和变形。因此应该理解在附带的权利要求书的范围内，本发明的实施不仅限于这里具体介绍的。
权利要求
1．一种双向功率半导体元件(1)，包括至少一个第一和一个第二晶闸管(2)，每个晶闸管具有一个阴极(5)、一个阳极(4)和一个门极(6)，其中晶闸管(2)以相反极性地串联连接，由此晶闸管的阴极(5)相连，其中每个单元中的二极管(3)与晶闸管反接，其中晶闸管的门极(6)相互电连接并形成公用的控制连接部分(7)。
2．根据权利要求1所要求的元件，其中晶闸管的相互连接的阴极(5)形成辅助的阴极连接部分(14)。
3．根据权利要求1或2所要求的元件，其中晶闸管具有非对称的阻断特性。
4．根据以上任意一个权利要求所要求的元件，其中晶闸管在阳极发射极的区域内具有一个停止层，二极管在它们的阴极区域内有一个停止层。
5．根据以上任意一个权利要求所要求的元件，其中每个晶闸管和相关的反接二极管形成在包括晶闸管和二极管的特定半导体晶片(8)中，二极管(3)同心地环绕各晶闸管(2)。
6．根据权利要求5所要求的元件，其中半导体晶片(8)容纳在一个共同的管壳(9)内。
7．根据权利要求6所要求的元件，其中管壳(9)为压力接触管壳，其中压力件(10)将接触盘(11)压到半导体晶片(8)上，两个半导体晶片一个叠加在另一个之上，接触环(12)和电连接到两个门极的接触系统(13)插于其中。
全文摘要
形成一种能双向导通和关断的功率半导体元件,其中第一和第二晶闸管极性相反地串联连接,每个单元中的二极管与晶闸管反接。两个门极相互连接并形成公用的控制部分。以这种方式形成的元件可以集成在一个共同的管壳中。
文档编号H01L29/747GK1211081SQ9811921
公开日1999年3月17日 申请日期1998年9月9日 优先权日1997年9月9日
发明者E·拉梅扎尼, J·沃尔德迈耶 申请人:亚瑞亚·勃朗勃威力有限公司