CN102194860B - 绿色晶体管 - Google Patents

Abstract

本发明提供了多种绿色晶体管，其中一种绿色晶体管为横向扩散型晶体管，包括：半导体衬底；形成于半导体衬底内且与其掺杂类型相反的漂移区；形成于漂移区表面的栅极；形成于栅极两侧漂移区内的源极以及漏极；所述源极部分位于栅极一侧下方的漂移区内；还包括口袋注入区，位于栅极底部源极一侧，且与源极具有重叠区域；所述口袋注入区的掺杂类型与漏极以及漂移区相同，且与源极相反。本发明提供的绿色晶体管，与现有的绿色晶体管相比，能够承受较大的工作电压，提供较大的工作电流，具有较强的驱动能力，适于大功率器件的制作。且与现有的CMOS工艺相兼容，易于生产制造，具有实用价值。

Description

绿色晶体管

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别是涉及应用于大功率器件制造的绿色晶体管。

背景技术

当前，开发成本低、速度快、存储密度高、制造简单且与当前的互补金属氧化物(CMOS)半导体集成电路工艺兼容性好的新型存储技术受到世界范围的广泛关注。随着存储器技术的发展以及器件按比例缩小(scaling)，器件的功耗和功耗密度已经成为一项亟需解决的问题；而导致功耗困难的出现原因是存储器中阵列密度不断增大，而电源电压长期以来保持了以5V作为各级工艺的标准，造成使用MOSFET作为选通管的存储器产生大量的无效功耗。因此外置电压源按比例缩小(VDD-scaling)已经愈发成为一个限制存储器发展的瓶颈。

目前，有人首次提出这样一种理论，在场效应晶体管中使用栅极偏压诱导能带隧穿效应(band to band-tunneling)可以不受外置电压源按比例缩小(VDD-scaling)的限制，载流子在上述效应中无须跨越势垒而是直接经过隧穿实现载流子的移动，形成电流，可以有效降低器件的能耗。基于上述理论，Chenming Hu等人在“VLSI Technology，Systems and Applications，2008.VLSI-TSA 2008.International Symposium on”(2008年国际超大型积体电路技术、系统暨应用(VLSI-TSA)研讨会论文集)的第14至15页首次公开了通过采用绿色晶体管(green FET，简称gFET)降低外置电压源，提高晶体管驱动能力的方案，文章名称为“Green Transistor-A VDD Scaling Path for Future LowPower ICs”。

如图1所示，为上述绿色晶体管的剖面结构图，包括：绝缘体上硅(SOI)10，所述绝缘体上硅10包括基底11、埋氧层12和顶层硅13；依次位于顶层硅13上的栅介质层16以及栅电极17，两者构成了绿色晶体管的栅极结构；所述绿色晶体管还包括位于顶层硅13内、栅介质层16两侧的源极14、漏极15，所述源极14与漏极15的掺杂类型相异；还包括位于顶层硅13内的相邻的口袋注入区18和浅掺杂区19，所述相邻的口袋注入区18和浅掺杂区19与栅介质层16的位置相对应，所述口袋注入区18的掺杂类型与漏极15相同，并通过浅掺杂区19与漏极15电连接；所述口袋注入区18的深度小于浅掺杂区19，源极14延伸过口袋注入区18的底部与浅掺杂区19相邻。

绿色晶体管中，N型或P型的定义根据口袋注入区18的掺杂类型而定，例如：P型绿色晶体管即口袋注入区18的掺杂类型为P型、源极14的掺杂类型为N型、漏极15的掺杂类型为P型；而N型绿色晶体管则反之。需要指出的是，绿色晶体管中空穴以及电子均为主要载流子，因此其源极、漏极的划分与传统场效应晶体管不同，一般而言将形成有口袋注入区18的一端定义为源极14。下面以P型绿色晶体管为例，对其工作原理进行进一步介绍。

如图2所示，为图1中P型绿色晶体管的P型口袋注入区18附近的能带图，其中虚线部分为晶体管关闭时的能带，实线部分为晶体管开启时的能带。在关闭状态下，即栅电极17未加载偏压时，导带Ec底部比价带Ev顶部电势位高，导带Ec和价带Ev之间存在很大的势垒，此时P型口袋注入区18与N型源极14之间不会产生载流子转移。在开启状态下，即栅极加载负偏压时，P型口袋注入区18电势降低，能带进一步向上弯曲，使得价带Ev的顶部电势位超过了导带Ec底部，在价带Ev内的共价键电子隧道穿过进入导带Ec内形成自由电子，在价带Ev内则形成自由空穴，即形成隧道效应。

图3为现有的P型绿色晶体管开启时产生导通电流的示意图，结合图2以及图3，当源极14、漏极15之间存在正向电压(Vsd＞0)，且Vsd大于栅极与漏极15之间的正向电压Vgd时(如果Vd＝0，则Vs＞Vg，也就是说栅极电压负向于源极电压)，P型口袋注入区18的共价键电子将向N型源极14隧穿形成连续的电子流，同时P型口袋注入区18内的空穴将经由浅掺杂区19流向P型漏极15，从而器件能够工作。

与现有的MOSFET主要依靠一种载流子导通不同，绿色晶体管的导电载流子同时包括电子和空穴，因此，其亚阈值电压摆幅较小，小于60mV/decade，甚至可以小于10mV/decade，且阈值电压远低于现有的MOSFET，可以低至0.2V，同等尺寸下的能耗远小于现有的MOSFET，而在同等驱动电源下能够产生更大的驱动电流，是深纳米尺寸替代MOSFET的良好选择。

基于上述理论，绿色晶体管所具有的低阈值电压以及高驱动能力特点，但是当前绿色晶体管的概念仅处于试验研究阶段，现有的绿色晶体管基于SOI衬底，结构较为单一，适用性不够广泛，且不适于制作功率器件。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供与现有CMOS工艺相兼容的大功率绿色晶体管，适于制作大功率器件。

为解决上述问题，本发明所提供的绿色晶体管如下：

本发明提供的一种绿色晶体管，为横向扩散型晶体管，包括：

半导体衬底；形成于半导体衬底内且与其掺杂类型相反的漂移区；

形成于漂移区表面的栅极；

形成于栅极两侧漂移区内的源极以及漏极，所述源极部分位于栅极一侧下方；

还包括口袋注入区，位于栅极底部源极一侧，且与源极具有重叠区域；

所述口袋注入区的掺杂类型与漏极以及漂移区相同，且与源极相反。

可选的，所述漂移区的掺杂浓度小于漏极以及口袋注入区。

可选的，所述漏极远离于栅极而不被栅极所覆盖。

可选的，所述源极延伸至口袋注入区底部，被栅极部分覆盖。

本发明提供的另一种绿色晶体管，为垂直扩散型晶体管，包括：

半导体衬底；形成于半导体衬底内且与其掺杂类型相反的漂移区；

形成于漂移区表面的栅极；

所述源极位于栅极任意一侧的漂移区内，且部分位于栅极下方；

所述漏极位于漂移区底部且与之连接；

还包括口袋注入区，位于栅极底部源极一侧，且与源极具有重叠区域；

所述口袋注入区与源极具有重叠区域；所述口袋注入区的掺杂类型与漏极以及漂移区相同，且与源极相反。

可选的，所述漂移区的掺杂浓度小于口袋注入区。

可选的，所述源极延伸至口袋注入区底部，被栅极部分覆盖。

可选的，还包括接触阱，将所述漏极延伸至半导体衬底的表面，且所述接触阱的侧面绝缘隔离。所述接触阱的掺杂浓度大于漂移区。

本发明提供的又一种绿色晶体管，为超结功率晶体管，包括：

半导体衬底；形成于半导体衬底内且与其掺杂类型相反的漂移区；

形成于漂移区表面的至少一个栅极；

所述源极位于栅极至少一侧的漂移区内，且部分位于栅极下方；

所述漏极位于漂移区底部且与之连接；

还包括口袋注入区，位于栅极底部源极一侧，且与源极具有重叠区域；

在所述漂移区内，位于源极以及漏极之间还形成有超结结构；

所述口袋注入区的掺杂类型与漏极以及漂移区相同，且与源极相反。

可选的，所述漂移区的掺杂浓度小于口袋注入区。

可选的，所述源极延伸至口袋注入区底部，被栅极部分覆盖。

可选的，位于相邻栅极之间漂移区内的所述源极延伸连结。

可选的，还包括接触阱，将所述漏极延伸至半导体衬底的表面，且所述接触阱的侧面绝缘隔离。所述接触阱的掺杂浓度大于漂移区。

所述超结结构包括横向间隔设置的P柱以及N柱。当漂移区的掺杂类型为N型时，所述P柱以及N柱在垂直界面上分别对准源极以及栅极；当漂移区的掺杂类型为P型时，则所述P柱以及N柱在垂直界面上分别对准栅极以及源极。

本发明提供的再一种绿色晶体管，为绝缘栅双极型晶体管，包括：

半导体衬底；形成于半导体衬底内且与其掺杂类型相反的漂移区；

形成于漂移区表面的至少一个栅极；

所述源极位于栅极至少一侧的漂移区内，且部分位于栅极下方；

所述漏极位于漂移区底部且与之连接；

还包括口袋注入区，位于栅极底部源极一侧，且与源极具有重叠区域；

所述口袋注入区的掺杂类型与漂移区相同，且与源极以及漏极相反。

可选的，所述漂移区的掺杂浓度小于口袋注入区。

可选的，所述源极延伸至口袋注入区底部，被栅极部分覆盖。

可选的，位于相邻栅极之间漂移区内的所述源极延伸连结。

可选的，还包括接触阱，将所述漏极延伸至半导体衬底的表面，且所述接触阱的侧面绝缘隔离。

可选的，在所述漂移区内，位于源极以及漏极之间还形成有超结结构；所述超结结构包括横向间隔设置的P柱以及N柱。当漂移区的掺杂类型为N型时，所述P柱以及N柱在垂直界面上分别对准源极以及栅极；当漂移区的掺杂类型为P型时，则所述P柱以及N柱在垂直界面上分别对准栅极以及源极。

本发明提供的绿色晶体管，与现有的绿色晶体管相比，源极、口袋注入区以及漏极形成于漂移区中，口袋注入区与漏极之间通过漂移区导电，源极与漏极的间距较长，因此在工作时能够承受较大的工作电压，提供较大的工作电流，具有较强的驱动能力，适于大功率器件的制作。且与现有的CMOS工艺相兼容，易于生产制造，具有实用价值。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其他目的、特征和优势将更加清晰。附图中与现有技术相同的部件使用了相同的附图标记。附图并未按比例绘制，重点在于示出本发明的主旨。在附图中为清楚起见，放大了层和区域的尺寸。

图1为现有的绿色晶体管的剖面结构图；

图2为现有的P型绿色晶体管中口袋注入区与源极重叠界面处的能带图；

图3为现有的P型绿色晶体管开启时产生导通电流的示意图；

图4为本发明所述横向扩散型绿色晶体管的结构示意图；

图5为本发明所述N型横向扩散型绿色晶体管的工作原理图；

图6为本发明所述垂直扩散型绿色晶体管的结构示意图；

图7为本发明所述的另一种垂直扩散型绿色晶体管的结构示意图；

图8为本发明所述N型垂直扩散型绿色晶体管的工作原理图；

图9为本发明所述的超结功率绿色晶体管的结构示意图；

图10为本发明所述的另一种功率绿色晶体管的结构示意图；

图11为本发明所述N型超结功率绿色晶体管的工作原理图；

图12为本发明所述的绝缘栅双极型绿色晶体管的结构示意图；

图13为本发明所述的另一种绝缘栅双极型绿色晶体管的结构示意图；

图14为本发明所述N型绝缘栅双极型绿色晶体管的工作原理图；

图15a为本发明所述N型绝缘栅双极型绿色晶体管的等效电路图；

图15b为本发明所述P型绝缘栅双极型绿色晶体管的等效电路图。

具体实施方式

从背景技术的分析中可知，与现有的场效应晶体管主要依靠一种载流子迁移产生电流的机制不同，绿色晶体管中空穴与电子的迁移在导通电流中均起到了重要的作用，因此绿色晶体管的亚阈值电压摆幅小，且阈值电压低，同等尺寸下的开关能耗远小于现有的MOSFET，而在同等驱动电源下能够产生更大的驱动电流。

现有的绿色晶体管基于SOI衬底，结构较为单一，适用性不够广泛。作为功率晶体管，首先需要具有承受较强工作电压的能力，常见的功率晶体管包括横向扩散型晶体管、垂直扩散型晶体管、超结功率晶体管以及绝缘栅双极型晶体管等，分别具有各自的优点，本发明基于现有绿色晶体管的工作原理，提供了对应上述四种类型的绿色晶体管结构及其相应的具体实施例，下面结合说明书附图分别作详细介绍。

横向扩散型晶体管的源极以及漏极的水平间隔距离较长，因此源漏之间不容易穿通，耐压性能好。如图4所示，为本发明提供的一种横向扩散型绿色晶体管(Lateral Diffusion GFET，LDGFET)的结构示意图，其包括：

半导体衬底100；形成于半导体衬底100内且与其掺杂类型相反的漂移区200；形成于漂移区200表面的栅极203，其中栅极203应当包括依次位于漂移区200表面的栅介质层以及栅电极，图中虽未示出，但作为公知常识，本领域技术人员应当容易推得具体的结构；分别形成于栅极203两侧漂移区200内的源极201、漏极202，其中所述源极201部分位于栅极203一侧下方；还包括口袋注入区205，位于栅极203底部源极201一侧，且所述口袋注入区205与源极201具有重叠区域；绿色晶体管中形成电流的机制是口袋注入区205以及源极201中载流子的隧道效应，因此所述口袋注入区205的掺杂类型与源极201相反；而在绿色晶体管工作时，口袋注入区205中的载流子将扩散至漂移区200内，最后流向漏极202，因此口袋注入区205的掺杂类型与漂移区200以及漏极202相同。

作为横向扩散型绿色晶体管，栅极203并不需要横跨于源极201以及漏极202，因此可选的，漏极202远离于栅极203，而不被栅极203所覆盖。另一方面，根据绿色晶体管的工作原理，栅极203上的电压至少要影响源极201与口袋注入区205的重叠界面，因此栅极203至少覆盖部分源极201以及口袋注入区205，作为可选方案，所述源极201可以延伸至口袋注入区205的底部，被栅极203部分覆盖。

为降低口袋注入区205与漏极202之间的漏电压，同时提高载流子迁移率，可选的，所述漂移区200的掺杂浓度要小于漏极202以及口袋注入区205。

此外，在图4所示晶体管结构中，晶体管周围还形成有浅沟槽隔离101，与半导体衬底的其他部分相绝缘隔离。

下面以N型横向扩散型绿色晶体管(N-type LDGFET)为例，介绍本发明所述横向扩散型绿色晶体管的工作原理。

如图5所示实施例，N型横向扩散型绿色晶体管中，半导体衬底100的掺杂类型为P-型，漂移区200的掺杂类型为N-型，源极201的掺杂类型为P+型，口袋注入区205以及漏极202的掺杂类型为N+型。

定义源极201上施加的电压为Vs，漏极202上施加的电压为Vd，栅极203上施加的电压为Vg。

首先，在源极201以及漏极202之间施加负向电压，即Vs＜Vd，压差为Vsd；栅极203以及漏极202之间也施加负向电压，即Vg＜Vd，压差为Vgd；使得Vsd＞Vgd，如果Vd设置为接地，则即使得Vg＞Vs。当栅极电压正向于源极电压至一定程度后，在源极201与口袋注入区205的重叠界面处，共价键电子将由P+型源极201向N+型口袋注入区205隧穿形成连续的电子流，同时在栅极203底部，N+型口袋注入区205内聚集的电子将沿着栅极203底部、漂移区200表面发生横向扩散，流入漂移区200内，最终流向漏极202；因此在源极201与漏极202之间形成稳定的电流，所述横向扩散型绿色晶体管开启工作。而此时栅极电压Vg与源极电压Vs之间的电压差Vgs即所述绿色晶体管的阈值电压。

如果需要迅速关断上述横向扩散型绿色晶体管，只需要将栅极203与源极201的电压反偏即可。上述实施例虽以N型晶体管为例，但P型晶体管的工作原理也相类似，同样可以工作，区别仅仅在于各区掺杂类型以及施加电压方向相反，本领域技术人员应当可以推得P型横向扩散型绿色晶体管的工作方式，此处不再赘述。

相较于横向扩散型晶体管，垂直扩散型晶体管的源极与漏极的间距也较长，耐压性能好，此外由于源、漏极为垂直分布，因此还具有节省器件面积的特点。如图6所示，为本发明提供的一种垂直扩散型绿色晶体管(VerticalDiffusion GFET，VDGFET)的结构示意图，其包括：

半导体衬底100；形成于半导体衬底100内且与其掺杂类型相反的漂移区300；形成于漂移区300表面的栅极303，其中栅极303应当包括依次位于漂移区300表面的栅介质层以及栅电极，图中虽未示出，但作为公知常识，本领域技术人员应当容易推得具体的结构；所述源极301位于栅极303任意一侧的漂移区300内，且部分位于栅极303下方；所述漏极302位于漂移区300底部且与之连接；还包括口袋注入区305，位于栅极303底部源极301一侧，且与源极301具有重叠区域；与上述横向扩散型绿色晶体管的导电机制相同，所述口袋注入区305的掺杂类型与漏极302以及漂移区300相同，且与源极301相反。

根据绿色晶体管的工作原理，栅极303上的电压至少要影响源极301与口袋注入区305的重叠界面，因此所述口袋注入区305与源极301具有重叠区域；作为可选方案，所述源极301可以延伸至口袋注入区305的底部，被栅极303部分覆盖。

为降低口袋注入区305与漏极302之间的漏电压，同时提高载流子迁移率，可选的，漂移区300的掺杂浓度要小于口袋注入区305。

由于漏极302形成于漂移区300的底部，在器件布线时难以引出互连，可以以接触孔或者接触阱的形式将所述漏极302导出。作为可选方案，如图7所示，还提供了一种垂直扩散型绿色晶体管的结构，在漂移区300的周围，形成接触阱306，通过接触阱306将所述漏极302延伸至半导体衬底100的表面，所述接触阱306的侧面绝缘隔离，接触阱306的掺杂浓度大于漂移区300。除图7所示实施例外，还可以直接在漂移区300内远离栅极的位置制作接触孔，将漏极302延伸至半导体衬底100表面。

在图6以及图7所示实施例中，在接触阱306以及漂移区300的周围均形成有浅沟槽隔离101，使接触孔306和漂移区300之间以及与半导体衬底的其他部分相绝缘隔离。

下面以N型垂直扩散型绿色晶体管(N-type VDGFET)为例，介绍本发明所述垂直扩散型绿色晶体管的工作原理。

如图8所示实施例，N型垂直扩散型绿色晶体管中，半导体衬底100的掺杂类型为P-型，漂移区300的掺杂类型为N-型，源极301的掺杂类型为P+型，口袋注入区305的掺杂类型为N+型，漏极302的掺杂类型为N-型，接触阱306的掺杂类型为N+型。

同样定义源极301上施加的电压为Vs，漏极302上施加的电压为Vd，栅极303上施加的电压为Vg。由于漏极302通过接触阱306延伸至半导体衬底100的表面，因此所述Vd直接施加于接触阱306上。

首先，在源极301以及漏极302之间施加负向电压，即Vs＜Vd，压差为Vsd；栅极303以及漏极302之间也施加负向电压，即Vg＜Vd，压差为Vgd；使得Vsd＞Vgd，如果Vd设置为接地，则即使得Vg＞Vs。当栅极电压正向于源极电压至一定程度后，在源极301与口袋注入区305的重叠界面处，共价键电子将由P+型源极301向N+型口袋注入区305隧穿形成连续的电子流，同时在栅极303底部，N+型口袋注入区305内聚集的电子将沿着栅极303底部、漂移区300表面发生横向扩散，先流入栅极303底部的漂移区300内，最终垂直流向漂移区300底部的漏极302，并通过接触阱306导出；因此在源极301与漏极302之间形成稳定的垂直向电流，所述垂直扩散型绿色晶体管开启工作。而此时栅极电压Vg与源极电压Vs之间的电压差Vgs即所述绿色晶体管的阈值电压。

如果需要迅速关断上述垂直扩散型绿色晶体管，只需要将栅极303与源极301的电压反偏即可。上述实施例虽以N型晶体管为例，但P型晶体管的工作原理也相类似，同样可以工作，此处不再赘述。

基于垂直扩散型晶体管的结构，在垂直分布的源极以及漏极之间形成超结结构，形成本发明所述超结功率晶体管，能够进一步提高器件的耐压性能。如图9所示，为本发明提供的一种超结功率绿色晶体管(Super Junction powerGFET，VSJGFET)的结构示意图，其包括：

半导体衬底100；形成于半导体衬底100内且与其掺杂类型相反的漂移区400；形成于漂移区400表面的至少一个栅极403，其中栅极403应当还包括依次位于漂移区400表面的栅介质层以及栅电极；所述源极401位于栅极403至少一侧的漂移区400内，且部分位于栅极403下方；所述漏极402位于漂移区400底部且与之连接；还包括口袋注入区405，位于栅极403底部源极401一侧，且与源极401具有重叠区域；在所述漂移区400内，位于源极401以及漏极402之间还形成有超结结构410；与前述实施例相同，所述口袋注入区405的掺杂类型与漏极402以及漂移区400相同，且与源极401相反。

根据绿色晶体管的工作原理，栅极403上的电压至少要影响源极401与口袋注入区405的重叠界面，因此所述口袋注入区405与源极401具有重叠区域；，作为可选方案，所述源极401可以延伸至口袋注入区405的底部，被栅极403部分覆盖。此外为简化结构，在图9所示实施例中位于相邻栅极403之间漂移区400内的源极401是延伸连结的，且一个栅极403同时控制影响了两个源极401及其相应的口袋注入区405。

为降低口袋注入区405与漏极402之间的漏电压，同时提高载流子迁移率，可选的，所述漂移区400的掺杂浓度要小于口袋注入区405。

同样由于漏极402即位于漂移区400的底部，在器件布线时难以引出互连，可以以接触孔或者接触阱的形式将所述漏极402导出。作为可选方案，可以在漂移区400的周围，形成接触阱406，通过接触阱406将所述漏极402延伸至半导体衬底100的表面，所述接触阱406的侧面绝缘隔离，接触阱406的掺杂浓度大于漂移区400。可选的，在接触阱406以及漂移区400的周围均形成有浅沟槽隔离101，使接触阱406和漂移区400之间以及与半导体衬底的其他部分相绝缘隔离。除图9所示实施例外，还可以直接在漂移区400内远离栅极的位置制作接触孔，将漏极402延伸至半导体衬底100表面。

所述超结结构410包括横向间隔设置的P柱以及N柱。所述超结结构410有助于提高晶体管的承受高压能力，能够大幅提高晶体管的工作电压，适于大功率器件的制作。需要另外指出的是，本实施例所述绿色晶体管即使不包括超结结构410，而仅形成图10所示的功率绿色晶体管结构，即构成了多栅极的垂直扩散型绿色晶体管，所述垂直扩散型绿色晶体管同样能够工作。

进一步的，在超结结构410中，通常N柱内流过载流子为电子，P柱内流过载流子为空穴时，能够获得最佳的器件性能。因此根据所述超结功率绿色晶体管的导电类型不同，所述超结结构410的具体位置分布也有所差异。通常而言，当漂移区400的掺杂类型为N型时，所述超结功率绿色晶体管为N型管，从源极401流向漏极402的载流子为电子，具体的移动路径是先从源极401隧穿至口袋注入区405，在从口袋注入区405沿着栅极401底部、漂移区400的表面横向扩散至栅极401底部的漂移区400内，最后再垂直流向漏极402。因此作为优选方案，在所述超结结构410中，P柱以及N柱在垂直界面上分别对准源极401以及栅极403。类似的，当漂移区400的掺杂类型为P型，所述超结功率绿色晶体管为P型管，载流子的路径依然与上述N型管相同，但载流子类型为空穴，作为优选方案，所述超结结构410中，P柱以及N柱在垂直界面上分别对准栅极403以及源极401。

下面以N型超结功率绿色晶体管(N-type VSJGFET)为例，介绍本发明所述超结功率绿色晶体管的工作原理。

如图11所示实施例，N型超结功率绿色晶体管中，半导体衬底100的掺杂类型为P-型，漂移区400的掺杂类型为N-型，源极401的掺杂类型为P+型，口袋注入区405的掺杂类型为N+型，漏极402的掺杂类型为N+型。

将各源极401电连接，共同施加的电压为Vs，同时将各栅极403也电连接，共同施加的电压为Vg。为说明简便，图10所示结构中未示出接触阱，而假定漏极402上直接施加的电压为Vd，

首先，在源极401以及漏极402之间施加负向电压，即Vs＜Vd，压差为Vsd；栅极403以及漏极402之间也施加负向电压，即Vg＜Vd，压差为Vgd；使得Vsd＞Vgd，如果Vd设置为接地，则即使得Vg＞Vs。当栅极电压正向于源极电压至一定程度后，在源极401与口袋注入区405的重叠界面处，共价键电子将由P+型源极401向N+型口袋注入区405隧穿形成连续的电子流，同时在栅极403底部，N+型口袋注入区405内聚集的电子将沿着栅极403底部、漂移区200表面发生横向扩散，流入栅极403底部的漂移区400内，最终经由超结结构410垂直流向漂移区400底部的漏极402；在源极401与漏极402之间也形成稳定的垂直向电流，所述超结功率绿色晶体管开启工作。而此时栅极电压Vg与源极电压Vs之间的电压差Vgs即所述超结功率绿色晶体管的阈值电压。需要指出的是，在图11所示结构中，包括多个源极401以及栅极403，因此也包括多条所述垂直向电流，所述垂直向电流均穿越超结结构410的N柱。

如果需要迅速关断上述超结功率绿色晶体管，只需要将栅极403与源极401的电压反偏即可。上述实施例虽以N型晶体管为例，但P型晶体管的工作原理也相类似，同样可以工作，此处不再赘述。

绝缘栅双极型晶体管是一种将双极型三极管和绝缘栅型晶体管组合而成的功率半导体器件，其工作机制是通过绝缘栅型晶体管形成的电流触发三极管工作，兼具有绝缘栅性晶体管的高输入阻抗和三极管的低导通压降的优点，因此驱动能力较强。如图12所示，为本发明提供的一种绝缘栅双极型绿色晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor GFET；IGBT GFET)的结构示意图，其包括：

半导体衬底100；形成于半导体衬底100内且与其掺杂类型相反的漂移区500；形成于漂移区500表面的至少一个栅极503，其中栅极503应当还包括依次形成于漂移区500表面的栅介质层以及栅电极；所述源极501位于栅极503至少一侧的漂移区500内，且部分位于栅极503下方；所述漏极502位于漂移区500底部且与之连接；还包括口袋注入区505，位于栅极503底部源极501一侧，且与源极501具有重叠区域；所述口袋注入区505的掺杂类型与漏极502以及漂移区500相同，且与源极501以及漏极502相反。与前述三个实施例不同，本实施例中漏极502的掺杂类型与漂移区500是相反的，而与源极501相同。因此源极501、漂移区502以及漏极503等效形成一个PNP或NPN结构的三极管，具体的工作原理见后述内容。

根据绿色晶体管的工作原理，栅极503上的电压至少要影响源极501与口袋注入区505的重叠界面，因此所述口袋注入区505与源极501具有重叠区域；作为可选方案，所述源极501可以延伸至口袋注入区505的底部，被栅极503部分覆盖。与前述超结功率绿色晶体管类似，为简化结构，在图12所示实施例中位于相邻栅极503之间漂移区500内的源极501是延伸连结的，且一个栅极503同时控制影响了两个源极501及其相应的口袋注入区505。

为降低口袋注入区505与漏极502之间的漏电压，同时提高载流子迁移率，可选的，所述漂移区500的掺杂浓度要小于口袋注入区505。

同样由于漏极502位于漂移区500的底部，在器件布线时难以引出导线，可以以接触孔或者接触阱的形式将所述漏极502导出。作为可选方案，可以在漂移区500的周围，形成接触阱506，通过接触阱506将所述漏极502延伸至半导体衬底100的表面，所述接触阱506的侧面绝缘隔离。可选的，在接触阱506以及漂移区500的周围均形成有浅沟槽隔离101，使接触阱506和漂移区500之间以及与半导体衬底的其他部分相绝缘隔离。除图12所示实施例外，还可以直接在漂移区500内远离栅极的位置制作接触孔，将漏极502延伸至半导体衬底100表面。

如图13所示，为了提高上述绝缘栅双极型绿色晶体管的工作电压，可以结合超结晶体管器件的原理，以图12绝缘栅双极型绿色晶体管结构为基础，在漂移区500内，位于源极501以及漏极502之间形成超结结构510，所述超结结构510包括横向间隔设置的P柱以及N柱。基于前述实施例的理论，超结结构510中，N柱内流过载流子为电子，P柱内流过载流子为空穴时，能够获得最佳的器件性能。因此，当漂移区500的掺杂类型为N型时，所述绿色晶体管为N型管，P柱以及N柱在垂直界面上分别对准源极501以及栅极503；当漂移区500的掺杂类型为P型，所述绿色晶体管为P型管，P柱以及N柱在垂直界面上分别对准栅极503以及源极501。

下面以N型绝缘栅双极型绿色晶体管(N-type IGBT GFET)为例，介绍本发明所述绝缘栅双极型绿色晶体管的工作原理。

如图14所示实施例，N型绝缘栅双极型绿色晶体管中，半导体衬底100的掺杂类型为P-型，漂移区500的掺杂类型为N-型，源极501的掺杂类型为P+型，口袋注入区505的掺杂类型为N+型，漏极502的掺杂类型与源极501相同，也为P+型。

将各源极501电连接，共同施加的电压为Vs，同时将各栅极503也电连接，共同施加的电压为Vg。同样为说明简便，图14所示结构中也未示出接触阱，而假定漏极502上直接施加的电压为Vd，

首先，在源极501以及漏极502之间施加负向电压，即Vs＜Vd，压差为Vsd；栅极503以及漏极502之间也施加负向电压，即Vg＜Vd，压差为Vgd；使得Vsd＞Vgd，如果Vd设置为接地，则即使得Vg＞Vs。当栅极电压正向于源极电压至一定程度后，在源极501与口袋注入区505的重叠界面处，共价键电子将由P+型源极501向N+型口袋注入区505隧穿形成连续的电子流，同时在栅极503底部，N+型口袋注入区505内聚集的电子将沿着栅极503底部、漂移区200表面发生横向扩散，流入栅极503底部的漂移区500内，最终流向漂移区500底部的漏极502；从而在源极501与漏极502之间形成一个垂直向电流，但与前述实施例均不相同，上述垂直向电流并非本实施例所述绝缘栅双极型绿色晶体管的主要工作电流。

从前述内容可知，在本实施例中，源极501、漂移区500以及漏极502构成了一个等效的PNP三极管，且漏极502作为发射极。图15a为图14所示绝缘栅双极型开启工作时的等效电路图，上述在源极501与口袋注入区505之间通过绿色晶体管隧穿机制所产生电流I，相当于提供了所述PNP三极管的基极电流Ib，从而使得在漏极502上产生发射极电流Ie，所述发射极电流将远大于上述绿色晶体管隧穿机制所产生的电流。上述绿色晶体管触发PNP三极管电流的机制，即图14所示实施例的绝缘栅双极型绿色晶体管的导通机制。图15b为P型绝缘栅双极型绿色晶体管的等效电路图，工作原理相似，即绿色晶体管触发NPN三极管电流，实现绝缘栅双极型绿色晶体管导通，具体机制不再赘述。

在栅极电压Vg与源极电压Vs之间使得所述绝缘栅双极型绿色晶体管开启工作的最小电压差Vgs，即绝缘栅双极型绿色晶体管的阈值电压。同样需要指出的是，在图14所示结构中，也包括多个源极501以及栅极503，因此也包括多条导电通路。

如果需要迅速关断上述绝缘栅双极型绿色晶体管，只需要将栅极503与源极501的电压反偏即可。上述实施例虽以N型晶体管为例，但P型晶体管的工作原理也相类似，同样可以工作，此处不再赘述。

上述各实施例所提供的绿色晶体管，能够提供较大的工作电流，具有较强的驱动能力，同时能够承受较大的工作电压，可以满足制作大功率器件的各种不同需求。从制造角度而言，基本结构上与现有的MOSFET差异较小，因此与现有的CMOS工艺相兼容，易于生产具有较高的实用价值。

虽然本发明以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (25)

1.一种绿色晶体管，其特征在于，所述绿色晶体管为横向扩散型晶体管，包括：

半导体衬底；形成于半导体衬底内且与其掺杂类型相反的漂移区；

形成于漂移区表面的栅极；

形成于栅极两侧漂移区内的源极以及漏极，所述源极部分位于栅极一侧下方；

还包括口袋注入区，位于栅极底部源极一侧，且与源极具有重叠区域；

所述口袋注入区的掺杂类型与漏极以及漂移区相同，且与源极相反。

2.如权利要求1所述的绿色晶体管，其特征在于，所述漂移区的掺杂浓度小于漏极以及口袋注入区。

3.如权利要求1所述的绿色晶体管，其特征在于，所述漏极远离于栅极而不被栅极所覆盖。

4.如权利要求1所述的绿色晶体管，其特征在于，所述源极延伸至口袋注入区底部，被栅极部分覆盖。

5.一种绿色晶体管，其特征在于，所述绿色晶体管为垂直扩散型晶体管，包括：

半导体衬底；形成于半导体衬底内且与其掺杂类型相反的漂移区；

形成于漂移区表面的栅极；

源极位于栅极任意一侧的漂移区内，且部分位于栅极下方；

漏极位于漂移区底部且与之连接；

还包括口袋注入区，位于栅极底部源极一侧，且与源极具有重叠区域；

所述口袋注入区与源极具有重叠区域；所述口袋注入区的掺杂类型与漏极以及漂移区相同，且与源极相反。

6.如权利要求5所述的绿色晶体管，其特征在于，所述漂移区的掺杂浓度小于口袋注入区。

7.如权利要求5所述的绿色晶体管，其特征在于，所述源极延伸至口袋注入区底部，被栅极部分覆盖。

8.如权利要求5所述的绿色晶体管，其特征在于，还包括接触阱，将所述漏极延伸至半导体衬底的表面，且所述接触阱的侧面绝缘隔离。

9.如权利要求8所述的绿色晶体管，其特征在于，所述接触阱的掺杂浓度大于漂移区。

10.一种绿色晶体管，其特征在于，所述绿色晶体管为超结功率晶体管，包括：

半导体衬底；形成于半导体衬底内且与其掺杂类型相反的漂移区；

形成于漂移区表面的至少一个栅极；

源极位于栅极至少一侧的漂移区内，且部分位于栅极下方；

漏极位于漂移区底部且与之连接；

还包括口袋注入区，位于栅极底部源极一侧，且与源极具有重叠区域；

在所述漂移区内，位于源极以及漏极之间还形成有超结结构；

所述口袋注入区的掺杂类型与漏极以及漂移区相同，且与源极相反。

11.如权利要求10所述的绿色晶体管，其特征在于，所述漂移区的掺杂浓度小于口袋注入区。

12.如权利要求10所述的绿色晶体管，其特征在于，所述源极延伸至口袋注入区底部，被栅极部分覆盖。

13.如权利要求10所述的绿色晶体管，其特征在于，位于相邻栅极之间漂移区内的所述源极延伸连结。

14.如权利要求10所述的绿色晶体管，其特征在于，还包括接触阱，将所述漏极延伸至半导体衬底的表面，且所述接触阱的侧面绝缘隔离。

15.如权利要求14所述的绿色晶体管，其特征在于，所述接触阱的掺杂浓度大于漂移区。

16.如权利要求10所述的绿色晶体管，其特征在于，所述超结结构包括横向间隔设置的P柱以及N柱。

17.如权利要求16所述的绿色晶体管，其特征在于，当漂移区的掺杂类型为N型时，所述P柱以及N柱在垂直界面上分别对准源极以及栅极；当漂移区的掺杂类型为P型时，则所述P柱以及N柱在垂直界面上分别对准栅极以及源极。

18.一种绿色晶体管，其特征在于，所述绿色晶体管为绝缘栅双极型晶体管，包括：

半导体衬底；形成于半导体衬底内且与其掺杂类型相反的漂移区；

形成于漂移区表面的至少一个栅极；

源极位于栅极至少一侧的漂移区内，且部分位于栅极下方；

漏极位于漂移区底部且与之连接；

还包括口袋注入区，位于栅极底部源极一侧，且与源极具有重叠区域；

所述口袋注入区的掺杂类型与漂移区相同，且与源极以及漏极相反。

19.如权利要求18所述的绿色晶体管，其特征在于，所述漂移区的掺杂浓度小于口袋注入区。

20.如权利要求18所述的绿色晶体管，其特征在于，所述源极延伸至口袋注入区底部，被栅极部分覆盖。

21.如权利要求18所述的绿色晶体管，其特征在于，位于相邻栅极之间漂移区内的所述源极延伸连结。

22.如权利要求18所述的绿色晶体管，其特征在于，还包括接触阱，将所述漏极延伸至半导体衬底的表面，且所述接触阱的侧面绝缘隔离。

23.如权利要求18所述的绿色晶体管，其特征在于，在所述漂移区内，位于源极以及漏极之间还形成有超结结构。

24.如权利要求23所述的绿色晶体管，其特征在于，所述超结结构包括横向间隔设置的P柱以及N柱。

25.如权利要求24所述的绿色晶体管，其特征在于，当漂移区的掺杂类型为N型时，所述P柱以及N柱在垂直界面上分别对准源极以及栅极；当漂移区的掺杂类型为P型时，则所述P柱以及N柱在垂直界面上分别对准栅极以及源极。

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