具有埋島結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極型晶體管，屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明專利技術(shù)是在傳統(tǒng)IGBT器件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在器件MOS結(jié)構(gòu)表面下分別引入P型埋島和N型載流子存儲層結(jié)構(gòu)。在正向阻斷時，P型埋島所引入的電荷及附加電場可以削弱MOS結(jié)構(gòu)下的尖峰電場，從而提高器件的耐壓。在正向?qū)〞r，高的N型載流子存儲層的摻雜濃度或厚度，抬高了空穴的勢壘，增強(qiáng)了發(fā)射極附近載流子的濃度，從而獲得更好的載流子分布，降低器件的正向飽和壓降并獲得更好的正向?qū)▔航岛完P(guān)斷損耗的折中。所引入的P型埋島和N型載流子存儲層在P型基區(qū)形成之前通過離子注入和外延等工藝形成。本發(fā)明專利技術(shù)適用于從小功率到大功率的半導(dǎo)體功率器件和功率集成電路領(lǐng)域。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于功率半導(dǎo)體器件
，涉及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。
技術(shù)介紹
功率半導(dǎo)體技術(shù)是電力電子技術(shù)的核心，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，以柵控功率器件為代表的現(xiàn)代功率半導(dǎo)體技術(shù)從20世紀(jì)80年代得到了迅速發(fā)展，進(jìn)而極大地推動了電力電子技術(shù)的進(jìn)步。功率MOS管是電壓控制型器件，可以通過控制柵壓來控制器件的開關(guān)，驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單，單一載流子導(dǎo)電特性使其開關(guān)特性優(yōu)異。然而多子導(dǎo)電無法在漂移區(qū)內(nèi)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，不適合應(yīng)用于中高壓領(lǐng)域。目前中高壓大功率的電力電子器件已經(jīng)形成GT0、IGCT, IGBT相互競爭不斷創(chuàng)新的技術(shù)市場。IGBT與GTO和IGCT相比，可通過柵端電壓控制器件的開關(guān)，使驅(qū)動電路簡單，IGBT與功率MOS相比，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)可以降低正向?qū)▔航担沟渺o態(tài)功率損耗較小。因而，IGBT在中高壓應(yīng)用中占據(jù)了很大的市場份額，成為主流的器件之一。自上世紀(jì)90年代以來，經(jīng)過不斷的發(fā)展，IGBT制作已經(jīng)步入成熟，目前商業(yè)量產(chǎn)的IGBT電壓范圍涵蓋從370V至6500V，電流從2A到4000A不等，形式包括單管及模塊。從襯底結(jié)構(gòu)上面來講，IGBT經(jīng)歷了 PT (穿通型)、NPT (非穿通型)及FS (場截止型)的發(fā)展，在柵結(jié)構(gòu)上主要有Planar (平面型)和Trench (溝槽型)兩種。傳統(tǒng)的場截止型IGBT如圖I (溝槽型)和圖2 (平面型)所示。以圖I結(jié)構(gòu)為藍(lán)本，三菱公司提出了 CSTBT (載流子存儲層溝槽柵雙極型晶體管)，如圖3所示。其主要結(jié)構(gòu)特征為，在Trench結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在P型基區(qū)下面引入了一層N型層作為空穴的勢壘，達(dá)到阻擋空穴以提高漂移區(qū)載流子整體濃度的目的。N型載流子存儲層的引入可以增強(qiáng)器件內(nèi)部電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，從而降低器件的正向?qū)▔航怠Ｒ詧D2結(jié)構(gòu)為藍(lán)本，ABB公司在Planar型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展了 Enhanced planar (增強(qiáng)平面型)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。該結(jié)構(gòu)也是在P型基區(qū)下方引入了一層N型載流子存儲層，提高漂移區(qū)整體載流子濃度，增強(qiáng)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，降低器件的正向?qū)▔航怠５牵鲜鼋Y(jié)構(gòu)所引入的N型載流子存儲層會增大P型基區(qū)下方N型漂移區(qū)的濃度，如果引入的N型載流子存儲層濃度偏低，空穴勢壘較小，空穴積累不明顯，正向飽和壓降改善幅度小。若引入的N型載流子存儲層濃度偏高，雖然會明顯改善正向?qū)〞r的載流子分布，但會造成器件的正向耐壓急劇下降，嚴(yán)重影響器件的工作性能。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)提供一種具有埋島結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極型晶體管，該器件結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)IGBT器件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在器件MOS結(jié)構(gòu)表面下分別引入P型埋島和N型載流子存儲層結(jié)構(gòu)。在正向阻斷時，通過P型埋島結(jié)構(gòu)所引入的電荷及附加電場的作用可以削弱MOS結(jié)構(gòu)下的尖峰電場，從而提高器件的耐壓。在正向?qū)〞r，高的N型載流子存儲層的摻雜濃度或厚度，抬高了空穴的勢壘，增強(qiáng)了發(fā)射極附近載流子的濃度，從而獲得更好的載流子分布，以降低器件的正向飽和壓降并獲得更好的正向?qū)▔航岛完P(guān)斷損耗的折中。所引入的P型埋島和N型載流子存儲層結(jié)構(gòu)可在傳統(tǒng)IGBT器件結(jié)構(gòu)工藝的基礎(chǔ)上，在P型基區(qū)形成之前通過離子注入或外延等工藝形成。本專利技術(shù)的技術(shù)方案如下具有埋島結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極型晶體管，結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括P+集電區(qū)12，位于P+集電區(qū)12背面的金屬集電極13，位于P+集電區(qū)12正面的N+電場阻止層11，位于N+電場阻止層11上面的N-漂移區(qū)10，位于N-漂移區(qū)10頂部中間的P型基區(qū)5，位于P型基區(qū)5內(nèi)部的兩個N+源區(qū)4，位于P型基區(qū)5內(nèi)部且位于兩個N+源區(qū)4之間的P+接觸區(qū)3，位于器件表面且與兩個N+源區(qū)4和P+接觸區(qū)3接觸的金屬發(fā)射極1，位于P型基區(qū)5和N-漂移區(qū)10之間的N型電荷存儲層8 ;位于器件兩側(cè)的兩個柵電極6通過各自的柵介質(zhì)層7與N+源區(qū)4、P型基區(qū)5和N型電荷存儲層8相連，柵電極6與金屬發(fā)射極I之間填充絕緣介質(zhì)2。所述具有埋島結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極型晶體管還具有若干P型埋島9，所述P型埋島9均勻分布于N-漂移區(qū)10頂層中，且與N型電荷存儲層8相連。進(jìn)一步地，如圖6所示，本專利技術(shù)提供的具有埋島結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極型晶體管，所述均勻分布述N-漂移區(qū)10頂層中的P型埋島9的間隔區(qū)間分布有N型埋島14 ;彼此相間的P型埋島9與N型埋島14構(gòu)成部分超結(jié)結(jié)構(gòu)。上述技術(shù)方案中，所述P型埋島區(qū)9的濃度、厚度、形狀等可根據(jù)設(shè)計要求而相應(yīng)變化；所述絕緣柵雙極型晶體管的集電區(qū)12可以是電場終止結(jié)構(gòu)、透明陽極結(jié)構(gòu)或陽極短路結(jié)構(gòu)；所述絕緣柵雙極性晶體管的半導(dǎo)體材料可采用硅(Si)、碳化硅(SiC)、砷化鎵(GaAs)或者氮化鎵(GaN)等，其電極和金屬連線可以是鋁、銅或者其它合適的金屬或合金。此外，本專利技術(shù)提供的具有埋島結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極型晶體管除使用溝槽柵以外，還可以使用平面柵，如圖51所示。本專利技術(shù)結(jié)構(gòu)P型埋島所引入的電荷及電場可以有效削弱主結(jié)處的電場強(qiáng)度，提高器件的耐壓水平，因此本專利技術(shù)結(jié)構(gòu)可以大幅提高N型載流子存儲層的摻雜濃度或厚度，抬高空穴勢壘，獲得更好的載流子分布，以降低器件的正向?qū)柡蛪航担源藖韮?yōu)化正向?qū)柡蛪航蹬c正向阻斷耐壓的矛盾關(guān)系。此外，由于載流子分布的改善，本專利技術(shù)結(jié)構(gòu)還可以降低關(guān)斷損耗，獲得更好的正向?qū)▔航蹬c關(guān)斷損耗之間的折中關(guān)系。附圖說明圖I是傳統(tǒng)的溝槽柵IGBT結(jié)構(gòu)圖。圖2是傳統(tǒng)的平面柵IGBT結(jié)構(gòu)圖。圖3是載流子存儲層溝槽柵雙極型晶體管(CSTBT)結(jié)構(gòu)圖。圖4是增強(qiáng)平面型(Enhanced planar) IGBT結(jié)構(gòu)圖。圖5至圖8是本專利技術(shù)提供的具有埋島結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)圖。圖I至圖8中，I為發(fā)射極金屬，2為柵電極與金屬發(fā)射極之間的絕緣介質(zhì)，3為P+接觸區(qū)，4為N+源區(qū)，5為P型基區(qū)，6為柵電極，7為柵介質(zhì)層，8為N型電荷存儲層，9為P型埋島，10為N-漂移區(qū)，11為N+電場阻止層，12為P+集電區(qū)，13為金屬集電極，14為N型埋島。圖9是仿真獲得的四種晶體管結(jié)構(gòu)的正向阻斷I-V特性圖。圖10是仿真獲得的四種晶體管結(jié)構(gòu)的正向?qū)↖-V特性圖。圖11是仿真獲得的四種晶體管結(jié)構(gòu)的正向?qū)▔航蹬c關(guān)斷損耗的關(guān)系圖。具體實施例方式具有埋島結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極型晶體管，結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括P+集電區(qū)12，位于P+集電區(qū)12背面的金屬集電極13，位于P+集電區(qū)12正面的N+電場阻止層11，位于N+電場阻止層11上面的N-漂移區(qū)10，位于N-漂移區(qū)10頂部中間的P型基區(qū)5，位于P型基區(qū)5內(nèi)部的兩個N+源區(qū)4，位于P型基區(qū)5內(nèi)部且位于兩個N+源區(qū)4之間的P+接觸區(qū)3，位于器件表面且與兩個N+源區(qū)4和P+接觸區(qū)3接觸的金屬發(fā)射極1，位于P型基區(qū)5和N-漂移區(qū)10之間的N型電荷存儲層8 ;位于器件兩側(cè)的兩個柵電極6通過各自的柵介質(zhì)層7與N+源區(qū)4、P型基區(qū)5和N型電荷存儲層8相連，柵電極6與金屬發(fā)射極I之間填充絕緣介質(zhì)2。所述具有埋島結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極型晶體管還具有若干P型埋島9，所述P型埋島9均勻分布于N-漂移區(qū)10頂層中，且與N型電荷存儲層8相連。進(jìn)一步地，如圖6所示，本專利技術(shù)提供的具有埋島結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極型晶體管，所述均勻分布述N-漂移區(qū)10頂層中的P型埋島9的間隔區(qū)間分布有N型埋島14 ;彼此相間的P型埋島9與N型埋島14構(gòu)成部分超結(jié)結(jié)構(gòu)。下面結(jié)合附圖對本發(fā)本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
具有埋島結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極型晶體管，包括P+集電區(qū)（12），位于P+集電區(qū)（12）背面的金屬集電極（13），位于P+集電區(qū)（12）正面的N+電場阻止層（11），位于N+電場阻止層（11）上面的N？漂移區(qū)10），位于N？漂移區(qū)（10）頂部中間的P型基區(qū)（5），位于P型基區(qū)（5）內(nèi)部的兩個N+源區(qū)（4），位于P型基區(qū)（5）內(nèi)部且位于兩個N+源區(qū)（4）之間的P+接觸區(qū)（3），位于器件表面且與兩個N+源區(qū)（4）和P+接觸區(qū)（3）接觸的金屬發(fā)射極（1），位于P型基區(qū)（5）和N？漂移區(qū)（10）之間的N型電荷存儲層（8）；位于器件兩側(cè)的兩個柵電極（6）通過各自的柵介質(zhì)層（7）與N+源區(qū)（4）、P型基區(qū)（5）和N型電荷存儲層（8）相連，柵電極（6）與金屬發(fā)射極（1）之間填充絕緣介質(zhì)（2）；其特征在于，所述具有埋島結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極型晶體管還具有若干P型埋島（9），所述P型埋島（9）均勻分布于N？漂移區(qū)（10）頂層中，且與N型電荷存儲層（8）相連。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張金平，楊文韜，李巍，夏小軍，張靈霞，李澤宏，任敏，張波，
申請(專利權(quán))人：電子科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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