CN101393928A - 一种阳极短路的隧道泵igbt - Google Patents

Abstract

一种阳极短路的隧道泵IGBT，属于半导体功率器件技术领域。本发明是在传统IGBT中同时引入阳极短路结构和隧道泵结构，或是在单纯的阳极短路的IGBT中引入隧道泵结构，或是在单纯的隧道泵的IGBT中引入阳极短路结构，使得本发明所述的阳极短路的隧道泵IGBT兼具阳极短路IGBT和隧道泵IGBT的优点，即在提高器件的关断特性的同时具有较低的导通压降。本发明可以很好折衷正向饱和压降与关断时间之间的矛盾，且优化器件的导通特性，更适用于高压大电流高频率的应用环境。

Description

一种阳极短路的隧道泵IGBT

技术领域

一种阳极短路的隧道泵IGBT，属于半导体功率器件技术领域。

背景技术

对于低压应用，功率MOS可以同时得到较理想的比导通电阻特性和较理想的开关特性。但是对于中高压应用环境，功率MOS的比导通电阻会随着耐压的升高更快的升高。而IGBT是一种由BJT和MOSFET复合而成的全控型电压驱动式功率半导体开关器件，兼有功率MOS的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点，旨在解决功率MOS由于导通电阻与耐压的矛盾关系而难以高压应用的问题。IGBT适合用于制作中等到大功率应用器件，是功率电子的重要基础，IGBT器件以其高耐压、低导通压降等特性常用于功率集成电路和功率集成系统中。图1是传统的IGBT的结构示意图。其中，1、是栅极、3是发射极、11是集电极、2是隔离介质、4是N⁺源区、5是P区、6是N^-漂移区、9是P⁺衬底。

随着IGBT的应用越来越广泛，新的问题随之出现，由于IGBT是双载流子导电，故在关断过程中需要将漂移区的过剩载流子抽取或者复合掉，这就形成了拖尾电流，使得关断时间被大大延长和关断损耗大大增加，使得传统结构IGBT在高频应用上没有优势。

为了解决关断时间和正向压降之间的矛盾问题，研究者们提出了许多新结构和方法，比如阳极短路、透明阳极、寿命控制等等，这些新的方法和结构有各自的优点也有各自的缺点。文献1(David W.Green，Student Member，IEEE，Konstantin V.Vershinin，Mark Sweet，andEkkanath Madathil Sankara Narayanan，Senior Member，IEEE，“Anode Engineering for theInsulated Gate Bipolar Transistor—A Comparative Review”绝缘栅双极晶体管的阳极工程—对照评论，IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS，VOL.22，NO.5，SEPTEMBER2007)对几种阳极结构进行了比较分析。文献2(“阳极短路垂直型IGBT的优化模型”刘海涛、陈启秀，浙江大学信电系功率器件研究所)提出了阳极短路垂直IGBT的优化模型，阐述了导通压降、关断时间及闭锁电流之间的关系。具有阳极短路结构的IGBT如图2所示，其集电区由P⁺区9和N⁺区10相间组成，N⁺区10可以在关断过程中为电子的释放提供通道。但是由于短路结构的存在，使得P⁺区9向漂移区的注入效率大为降低，从而正向压降也随之大大升高，这一点在以上的两篇文献中均有不同程度的表述。

隧道泵结构如图3所示，在其P⁺衬底9和N^-漂移区6之间增加了一层P区7与N⁺区8相间的薄层，利用N⁺区8和P⁺衬底9之间形成的隧道结，在关断时加速抽取过剩载流子，以达到提高开关速度的目的。但是隧道泵结构只能在一定程度上提高开关速度，而且是以牺牲导通时的正向压降为代价，即它的导通压降较普通IGBT有一定幅度的上升。而这正是我们所不希望看到的。

发明内容

本发明提供一种阳极短路的隧道泵IGBT，能够在降低传统IGBT的关断时间的同时，具有较低的导通压降。在关断时间方面，本发明提供的阳极短路的隧道泵IGBT与单纯的阳极短路的IGBT相当，但比单纯的隧道泵IGBT的关断时间更小；在导通压降方面，本发明提供的阳极短路的隧道泵IGBT比单纯的阳极短路的IGBT更低，而与单纯的隧道泵IGBT相当。如果说隧道泵IGBT较阳极短路IGBT有更优秀的导通特性，而阳极短路IGBT比隧道泵IGBT有更优秀的关断特性，那么，本发明则集二者优点于一身，在关断特性和阳极短路一样优秀的同时，导通压降则向着隧道泵结构趋近。

本发明的实质是在传统IGBT中同时引入阳极短路结构和隧道泵结构，或是在单纯的阳极短路的IGBT中引入隧道泵结构，或是在单纯的隧道泵的IGBT中引入阳极短路结构，使得本发明所述的阳极短路的隧道泵IGBT兼具阳极短路IGBT和隧道泵IGBT的优点，即在提高器件的关断特性的同时具有较低的导通压降。

本发明技术方案如下：

一种阳极短路的隧道泵IGBT，如图4所示，包括栅极1、隔离介质2、发射极3、N⁺源区4、P型基区5、N^-漂移区6和集电极11。其特征在于，它还包括一个阳极短路结构层和一个隧道泵结构层。所述阳极短路结构层由一个P⁺区9和第一N⁺区10在横向并排而成；所述隧道泵结构层由第二N⁺区8和围绕第二N⁺区8的P型区7构成；所述阳极短路结构层位于集电极11和所述隧道泵结构层之间，所述隧道泵结构层位于所述阳极短路结构层和N^-漂移区6之间；所述第二N⁺区8与P⁺区9之间形成一个隧道结。

需要说明的是：

1、所述由两个P型区7和第二N⁺区8相间构成的隧道泵结构层可与阳极短路衬底直接键合而成，亦可基于薄片加工工艺的基础上通过离子注入退火的方式在阳极短路衬底上形成。

2、所述第二N⁺8区和四周的P型区7区在垂直于电流方向上的面积之比定义为K值。K值的大小将影响关断时间与正向压降的高低，其值可选为0.05～0.5的范围内；第一N⁺区10的形状可为任意形状，包括方形、矩形或圆形以及非规则图形，第一N⁺区10的面积在工艺允许的范围选做较小的尺寸。

3、所述第二N⁺8区的形状视具体情况而定，包括一切规则与非规则图形。

4、所述P⁺区9与第一N⁺区10的宽度之比既要考虑阳极短路结构自身作用的发挥，还要考虑它可能对隧道泵泄放电子产生的不利影响。复合隧道结硅层和阳极短路硅层的厚度也要根据耐压与导通电阻的要求适当进行选取。

本发明的工作原理：

传统IGBT器件给定一大于阈值电压的栅电压后，由于P⁺集电区9与N^-漂移区6构成一P⁺N结。要使空穴注入，IGBT管子的正向压降必须大于该P⁺N结的内建电压。引入隧道泵后，由于集电区和漂移区之间存在N⁺重掺杂，此隧道泵所产生的隧道效应将使得IGBT开启过程中，在很小的正向电压下就可以有相当大的电流，故降低了正向饱和压降，同时在关断的过程中，漂移区中的过剩载流子，可以很顺利地通过隧道结以及阳极短路结构很快的被释放。较之阳极短路结构图2进一步降低拖尾电流的时间。

附图说明

图1.普通NPT-IGBT结构；1-栅极、2-隔离介质(栅氧化层)、3-金属发射极、4-N⁺源区、5-P型基区、6-N^-漂移区、9-P⁺单晶Si衬底、11-金属集电极。

图2.阳极短路NPT-IGBT结构；在图1的普通NPT-IGBT基础之上，将P⁺单晶Si衬底9换成了P⁺区9、N⁺区10并排的结构。

图3.隧道泵NPT-IGBT结构；此种结构在图1的普通IGBT的N-漂移区6和P⁺衬底9之间加入了P型区7、N⁺区8相间的薄层(隧道泵结构层)。

图4.本发明所述的阳极短路的隧道泵IGBT结构。

图5.本发明所述的阳极短路的隧道泵IGBT和隧道泵IGBT在关断时间上的比较。

图6.本发明所述的阳极短路的隧道泵IGBT和阳极短路IGBT在导通特性上的比较。

具体实施方式

本发明的阳极短路的隧道泵IGBT能够大大优化正向饱和压降和关断时间之间的矛盾关系。

一种阳极短路的隧道泵IGBT，如图4所示，包括栅极1、隔离介质2、发射极3、N⁺源区4、P型基区5、N^-漂移区6和集电极11。其特征在于，它还包括一个阳极短路结构层和一个隧道泵结构层。所述阳极短路结构层由一个P⁺区9和第一N⁺区10在横向并排而成；所述隧道泵结构层由第二N⁺区8和围绕第二N⁺区8的P型区7构成；所述阳极短路结构层位于集电极11和所述隧道泵结构层之间，所述隧道泵结构层位于所述阳极短路结构层和N^-漂移区6之间；所述第二N⁺区8与P⁺区9之间形成一个隧道结。

具体实施时，可以通过N^-单晶的一抛光面上由离子注入或杂质扩散的方式形成由P型区7和第二N⁺区8构成的隧道泵结构层。而阳极短路结构是在P⁺衬底上进行离子注入形成由P⁺区9和第一N⁺区10构成的阳极短路结构层。然后把隧道结硅片与阳极短路硅片通过直接键合起来作为一个复合阳极。也可以基于先进加工工艺的基础上通过背面离子注入退火RTA的方式形成隧道结以及形成阳极短路结构的集电极。器件结构的制作随工艺的发展有一定的变通设计。

Claims (7)

1、一种阳极短路的隧道泵IGBT，包括栅极(1)、隔离介质(2)、发射极(3)、N⁺源区(4)、P型基区(5)、N^-漂移区(6)和集电极(11)；其特征在于，它还包括一个阳极短路结构层和一个隧道泵结构层；所述阳极短路结构层由一个P⁺区(9)和第一N⁺区(10)在横向并排而成；所述隧道泵结构层由第二N⁺区(8)和围绕第二N⁺区(8)的P型区(7)构成；所述阳极短路结构层位于集电极(11)和所述隧道泵结构层之间，所述隧道泵结构层位于所述阳极短路结构层和N^-漂移区(6)之间；所述第二N⁺区(8)与P+区(9)之间形成一个隧道结。

2、根据权利要求1所述的阳极短路的隧道泵IGBT，其特征在于，所述第二N⁺(8)区和四周的P型区(7)区在垂直于电流方向上的面积之比定义为K，K取值范围为0.05～0.5之间。

3、根据权利要求1所述的阳极短路的隧道泵IGBT，其特征在于，所述第一N⁺区(10)的形状为任意形状。

4、根据权利要求1所述的阳极短路的隧道泵IGBT，其特征在于，所述第一N⁺区(10)的形状为方形、矩形或圆形以及非规则图形。

5、根据权利要求1所述的阳极短路的隧道泵IGBT，其特征在于，所述第二N⁺区(8)的形状为规则或非规则形状。

6、根据权利要求1所述的阳极短路的隧道泵IGBT，其特征在于，所述隧道泵结构层是通过N^-单晶的一抛光面上由离子注入或杂质扩散的方式形成的。

7、根据权利要求1所述的阳极短路的隧道泵IGBT，其特征在于，所述阳极短路结构层是在P⁺衬底上进行离子注入形成的。

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