CN102201439A - 一种体内电导调制增强的沟槽型绝缘栅双极型晶体管 - Google Patents

一种体内电导调制增强的沟槽型绝缘栅双极型晶体管 Download PDF

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李泽宏
安俊杰
张波
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Abstract

一种体内电导调制增强的沟槽型绝缘栅双极型晶体管(Trench IGBT)，属于功率半导体器件技术领域。本发明在常规Trench IGBT器件结构的基础上，在器件P-基区和N-漂移区之间引入介质层，有效的阻止了正向导通时P-基区对N-漂移区边沿的少子空穴的抽取，使整个N-漂移区的电子和空穴浓度大大增加，优化了漂移区载流子浓度分布，增强了器件体内的电导调制，降低了器件的正向导通压降，从而获得更好的正向导通压降和关断损耗之间的折衷；同时没有牺牲芯片表面的利用率，节约了芯片面积。本发明适用于从小功率到大功率的半导体功率器件和功率集成电路领域。

Description

一种体内电导调制增强的沟槽型绝缘栅双极型晶体管
技术领域
本发明属于功率半导体器件技术领域，涉及沟槽型绝缘栅双极型晶体管(Trench IGBT)，更具体的说，涉及具有体内电导调制增强的Trench IGBT器件。
背景技术
以功率器件和功率集成电路为核心和基础的电力电子技术是实现高效节能和促进机电一体化的关键技术，它是弱电控制与强电运行之间，信息技术与先进制造技术之间的桥梁。在电力电子学领域，功率半导体器件作为关键部件，其特性对系统性能的实现和改善起着至关重要的作用。IGBT是一种MOS场效应和双极型晶体管复合的新型电力电子器件。它既有MOSFET易于驱动，控制简单、开关频率高的优点，又有功率晶体管的导通压降低，通态电流大，损耗小的优点。鉴于IGBT的这些优点，它已成为当今先进电力电子装置的主选开关器件，广泛地应用在诸如通信、能源、交通、工业、医学、家用电器及航天航空等国民经济的各个领域。
普通Trench IGBT器件结构如图1所示，包括集电极11、P+集电区12、N+电场截止区13、N-漂移区14、P-基区15、P+接触区16、N+源区17、多晶硅栅极18、栅氧化层19、栅极与发射极之间的绝缘层20和发射极21；集电极11位于P+集电区12背面，N+电场截止区13位于P+集电区12正面，N-漂移区14位于N+电场截止区13表面，P+接触区16和N+源区17二者并排相间地位于发射极21下方并与发射极21相连，P+接触区16和N+源区17二者与N-漂移区14之间具有P-基区15；沟槽型栅电极结构位于发射极21下方并穿过N+源区17、P-基区15延伸入N-漂移区14。沟槽型栅电极结构由多晶硅栅极18、栅氧化层19、栅极与发射极之间的绝缘层20构成，其中多晶硅栅极18被栅氧化层19和栅极与发射极之间的绝缘层20所包围，栅氧化层19的侧壁与N+源区17和P-基区15接触，栅氧化层19的底部与N-漂移区14接触，栅极与发射极之间的绝缘层20位于多晶硅栅极18和发射极21之间。
与平面型(Planar)IGBT相比，Trench IGBT减小了元胞尺寸、增加了器件的沟道密度、消除了寄生JFET区的不利影响，从而提高了集电极电流密度，降低了正向导通压降，是一种理想的IGBT器件。然而随着技术的发展，如何进一步降低Trench IGBT器件的正向导通压降以减小器件的损耗一直是业界研究的方向之一。为了阻止正向导通时P-基区对N-漂移区边沿的少子空穴的抽取以获得较低的正向导通压降，文献(Mori，M；Oyama，K；Kohno，Y；Sakano，J；Uruno，J；Ishizaka，K；Kawase，D.A Trench-Gate High-Conductivity IGBT(HiGT)WithShort-Circuit Capability.IEEE Transactions on Electron Devices，vol.54，issue 8，pp.2011-2016)中提出一种仅部分表面具有元胞的结构。该结构如图2所示，该器件结构为了获得较低的正向导通压降，将部分元胞的电流通道用栅极与发射极之间的绝缘层20完全阻断，实际上是通过减小Trench IGBT元胞的密度来减小了P-基区对N-漂移区边沿的少子空穴的抽取的面积，从而增强N-漂移区的电导调制，获得低的正向导通压降。但是该器件却由于元胞密度的降低，芯片表面的利用率下降，浪费了芯片的面积。
为了进一步降低器件的正向导通压降，提高Trench IGBT的性能，本发明通过在Trench IGBT的P-基区和N-漂移区之间引入一层介质层。通过介质层的引入，大大的增强了器件的体内电导调制，降低了器件的正向导通压降，从而获得了更好的正向导通压降和关断损耗之间的折衷。
发明内容
本发明提供一种体内电导调制增强的沟槽型绝缘栅双极型晶体管(Trench IGBT)，该沟槽型绝缘栅双极型晶体管在传统Trench IGBT器件结构的基础上(如图1所示)，通过在器件P-基区和N-漂移区之间引入了介质层，有效的阻止了正向导通时P-基区对N-漂移区边沿的少子空穴的抽取，使整个N-漂移区的电子和空穴浓度大大增加，优化了漂移区载流子浓度分布，增强了器件体内的电导调制，降低了器件的正向导通压降，从而获得更好的正向导通压降和关断损耗之间的折衷。
为实现本发明目的，采用的技术方案如下：
一种体内电导调制增强的沟槽型绝缘栅双极型晶体管，如图3所示，包括集电极11、P+集电区12、N+电场截止区13、N-漂移区14、P-基区15、P+接触区16、N+源区17、多晶硅栅极18、栅氧化层19、栅极与发射极之间的绝缘层20和发射极21；集电极11位于P+集电区12背面，N+电场截止区13位于P+集电区12正面，N-漂移区14位于N+电场截止区13表面，P+接触区16和N+源区17二者并排相间地位于发射极21下方并与发射极21相连，P+接触区16和N+源区17二者与N-漂移区14之间具有P-基区15；沟槽型栅电极结构位于发射极21下方并穿过N+源区17、P-基区15延伸入N-漂移区14。沟槽型栅电极结构由多晶硅栅极18、栅氧化层19、栅极与发射极之间的绝缘层20构成，其中多晶硅栅极18被栅氧化层19和栅极与发射极之间的绝缘层20所包围，栅氧化层19的侧壁与N+源区17和P-基区15接触，栅氧化层19的底部与N-漂移区14接触，栅极与发射极之间的绝缘层20位于多晶硅栅极18和发射极21之间。所述体内电导调制增强的沟槽型绝缘栅双极型晶体管还包括一层介质层22；所述介质层22位于P-基区15和N-漂移区14之间，并与两侧栅氧化层19不相接触。
所述介质层22可以是连续介质层(如图3所示)，也可以是非连续介质层(如图4所示)；介质层22的材料类型、长度、厚度和形状可根据设计要求而相应变化。
本发明提供的体内电导调制增强的Trench IGBT器件，其集电极可以采用电场终止结构，透明阳极结构以及阳极短路结构等。
本发明提供的体内电导调制增强的Trench IGBT器件，其半导体材料为硅(Si)、碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)或者氮化镓(GaN)等；其电极和金属连线可以是铝、铜或者其它合适的金属或合金。
本发明的有益效果表现在：
本发明通过在常规沟槽型绝缘栅双极型晶体管(Trench IGBT)的基础上，通过在器件P-基区和N-漂移区之间引入介质层，有效的阻止了正向导通时P-基区对N-漂移区边沿的少子空穴的抽取，使整个N-漂移区的电子和空穴浓度大大增加，优化了漂移区载流子浓度分布，增强了器件体内的电导调制，降低了器件的正向导通压降，从而获得更好的正向导通压降和关断损耗之间的折衷；同时没有牺牲芯片表面的利用率，节约了芯片面积。本发明适用于从小功率到大功率的半导体功率器件和功率集成电路领域。
附图说明
图1是常规的Trench IGBT器件结构示意图。
图2是现有一种低导通压降Trench IGBT器件结构示意图。
图3和图4是本发明提出的体内电导调制增强的Trench IGBT器件结构示意图。
图1至图4中，11为集电极，12为P+集电区，13为N+电场截止区，14为N-漂移区，15为P-基区，16为P+接触区，17为N+源区，18为多晶硅栅极，19为栅氧化层，20为栅极与发射极之间的绝缘层，21为发射极，22为介质层。
图5和图6为常规的Trench IGBT器件和本发明提出的体内电导调制增强的Trench IGBT器件元胞中央纵向空穴和电子浓度的对比。
图7为常规的Trench IGBT器件和本发明提出的体内电导调制增强的Trench IGBT器件的正向导通I-V特性。
具体实施方式
一种体内电导调制增强的沟槽型绝缘栅双极型晶体管，如图3所示，包括集电极11、P+集电区12、N+电场截止区13、N-漂移区14、P-基区15、P+接触区16、N+源区17、多晶硅栅极18、栅氧化层19、栅极与发射极之间的绝缘层20和发射极21；集电极11位于P+集电区12背面，N+电场截止区13位于P+集电区12正面，N-漂移区14位于N+电场截止区13表面，P+接触区16和N+源区17二者并排相间地位于发射极21下方并与发射极21相连，P+接触区16和N+源区17二者与N-漂移区14之间具有P-基区15；沟槽型栅电极结构位于发射极21下方并穿过N+源区17、P-基区15延伸入N-漂移区14。沟槽型栅电极结构由多晶硅栅极18、栅氧化层19、栅极与发射极之间的绝缘层20构成，其中多晶硅栅极18被栅氧化层19和栅极与发射极之间的绝缘层20所包围，栅氧化层19的侧壁与N+源区17和P-基区15接触，栅氧化层19的底部与N-漂移区14接触，栅极与发射极之间的绝缘层20位于多晶硅栅极18和发射极21之间。所述体内电导调制增强的沟槽型绝缘栅双极型晶体管还包括一层介质层22；所述介质层22位于P-基区15和N-漂移区14之间，并与两侧栅氧化层19不相接触。
所述介质层22可以是连续介质层(如图3所示)，也可以是非连续介质层(如图4所示)；介质层22的材料类型、长度、厚度和形状可根据设计要求而相应变化。
本发明提供的体内电导调制增强的Trench IGBT器件，其集电极可以采用电场终止结构，透明阳极结构以及阳极短路结构等。
本发明提供的体内电导调制增强的Trench IGBT器件，其半导体材料为硅(Si)、碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)或者氮化镓(GaN)等；其电极和金属连线可以是铝、铜或者其它合适的金属或合金。
当常规的Trench IGBT正向导通时，由于栅极和发射极电压的作用，与多晶硅栅极18相邻的P-基区15表面反型，形成N沟道，电子通过N+源区17和形成的N沟道注入N-漂移区14，同时空穴从P-集电区12注入N-漂移区14形成体内电导调制。从P+集电区12注入N-漂移区14的空穴在电场的作用下到达P-基区15边缘时，由于反向PN结的作用，大量空穴被P-基区15抽走，导致P-基区15边缘N-漂移区14的空穴浓度下降，由于电中性的要求，电子浓度也相应降低，削弱了体内的电导调制，增大了器件的正向导通压降。与常规的Trench IGBT相比，本发明提供的体内电导调制增强的Trench IGBT器件在P-基区15与N-漂移区14之间引入一层介质阻挡层，有效的阻止了正向导通时P-基区对N-漂移区边沿的少子空穴的抽取，使整个N-漂移区的电子和空穴浓度大大增加，优化了漂移区载流子浓度分布，增强了器件体内的电导调制，降低了器件的正向导通压降，从而获得更好的正向导通压降和关断损耗之间的折衷。
图5和图6为常规的Trench IGBT器件和本发明提出的体内电导调制增强的Trench IGBT器件元胞中央纵向空穴和电子浓度的对比。从图中可以看出与常规的Trench IGBT器件相比，本发明提出的体内电导调制增强的Trench IGBT器件通过介质层的引入，大大的增加了N-漂移区的电子和空穴浓度，增强了器件的体内电导调制。
图7为常规的Trench IGBT器件和本发明提出的体内电导调制增强的Trench IGBT器件的正向导通I-V特性，从图中可以看出与常规的Trench IGBT结构相比，本发明提出的新结构通过介质层的引入，大大的减低了器件的正向导通压降。

Claims (4)

1.一种体内电导调制增强的沟槽型绝缘栅双极型晶体管，包括集电极(11)、P+集电区(12)、N+电场截止区(13)、N-漂移区(14)、P-基区(15)、P+接触区(16)、N+源区(17)、多晶硅栅极(18)、栅氧化层(19)、栅极与发射极之间的绝缘层(20)和发射极(21)；集电极(11)位于P+集电区(12)背面，N+电场截止区(13)位于P+集电区(12)正面，N-漂移区(14)位于N+电场截止区(13)表面，P+接触区(16)和N+源区(17)二者并排相间地位于发射极(21)下方并与发射极(21)相连，P+接触区(16)和N+源区(17)二者与N-漂移区(14)之间具有P-基区(15)；沟槽型栅电极结构位于发射极(21)下方并穿过N+源区(17)、P-基区(15)延伸入N-漂移区(14)；沟槽型栅电极结构由多晶硅栅极(18)、栅氧化层(19)、栅极与发射极之间的绝缘层(20)构成，其中多晶硅栅极(18)被栅氧化层(19)和栅极与发射极之间的绝缘层(20)所包围，栅氧化层(19)的侧壁与N+源区(17)和P-基区(15)接触，栅氧化层(19)的底部与N-漂移区(14)接触，栅极与发射极之间的绝缘层(20)位于多晶硅栅极(18)和发射极(21)之间；
其特征在于，所述体内电导调制增强的沟槽型绝缘栅双极型晶体管还包括一层介质层(22)；所述介质层(22)位于P-基区(15)和N-漂移区(14)之间，并与两侧栅氧化层(19)不相接触。
2.根据权利要求1所述的体内电导调制增强的沟槽型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述介质层(22)是连续介质层或非连续介质层。
3.根据权利要求1所述的体内电导调制增强的沟槽型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述介质层(22)的材料类型、长度、厚度和形状根据设计要求而相应变化。
4.根据权利要求1所述的体内电导调制增强的沟槽型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述集电极(21)为电场终止结构，透明阳极结构以及阳极短路结构。
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