CN103594504A - 具有半超结结构的igbt - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有半超结结构的IGBT，所述IGBT包括漂移区、位于所述漂移区上方的p型区及n型区、位于所述漂移区下方的缓冲层、以及位于所述缓冲层下方的注入层，所述漂移区为由交替相间的p柱和n柱构成的超结结构，所述漂移区和缓冲层之间还设有电压支持层，所述漂移区和电压支持层构成半超结结构。本发明将半超结结构引入IGBT中，相同通态比电阻时，半超结结构IGBT相对于超结结构IGBT长宽比更小，可以减少制备工艺，降低工艺难度和成本；同时，半超结结构底端电压支持层相当于外延双基区二极管结构中的缓冲层，解决了超结结构IGBT反向恢复较硬的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种具有半超结结构的IGBT。
背景技术
绝缘栅双极晶体管（IGBT）是场效应晶体管（MOSFET）和双极功率晶体管（BJT）结合形成的达林顿结构，具有MOSFET输入阻抗高、驱动简单、开关速度高的优点，又具有BJT电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点，是比较理想的全控型器件。新一代沟槽栅场终止型IGBT综合了前几代产品的优点，采用最新功率半导体制造工艺，其模块容量应已经达到400A-2400A/1200V-6500V，满足电力电子与电力传动领域应用要求，并正在向更高功率要求的应用领域拓展。
现代电力电子器件要求：（1）更大导通电流容量，更高阻断电压及更高功率容量；（2）低通态电阻和低导通压降；（3）更快的开关速度和更高的工作频率；（4）驱动简单，易于控制；（5）高稳定性及高可靠性，成本低。IGBT满足大部分现代电力电子器件要求，但高压时导通电阻较大、导通压降高且开关速度慢。目前，已经有较多的研究在解决这些问题，例如：（1）刻槽技术(Trench-IGBT)；（2）穿通型IGBT设计(PT-IGBT)；（3）注入增强技术(Injectionenhancement-IEGT)；（4）少子寿命控制技术。然而，这些技术对器件性能的改进都是有限的或者需要进行折衷处理。
20世纪80年代末90年代初，一种新概念的提出打破了“硅限”，它可以同时得到较低的功耗和较高的开关速度。这一概念经过演化和完善之后，成为现在的“超结理论”（Superjunction Theory）。目前商品化的CoolMOSTM就是在超结理论的基础上发展出来的，得到了击穿电压与通态比电阻之间较好的关系。然而，超结结构本身存在不足，电荷平衡很难控制且反向恢复特性较硬。半超结结构正好可以较好的解决这个问题，因此将半超结结构应用在IGBT中不但可以与现有CoolMOS工艺相兼容，而且可以进一步提高器件性能。
目前功率半导体器件耐压层通常采用超结结构，超结结构（superjunction）是由交替存在的n区和p区所构成的耐压层，以及该耐压层上面和下面的n+和p+区域组成。该结构外加较大反向偏压时，n柱及p柱将全部耗尽，施主和受主电离产生出正电荷及负电荷。由于n柱及p柱交替排列，n柱中正电荷产生的电力线沿横向大部分终止于p柱中的负电荷，正负电荷补偿。这样整体看来，漂移区等效电荷密度降低很多，理想情况下耐压层中正负电荷完全补偿，类似于本征。所以，即使n柱及p柱掺杂浓度很高，也能得到很高的击穿电压，击穿电压与掺杂浓度无关。正向导通时，虽然电流通路变为原来一半，但漂移区(n柱或p柱)掺杂浓度提高很多，导通电阻大大降低。
然而超结结构具有以下缺点：
(1)超结结构基于电荷补偿原理，要求电荷平衡，否则器件性能大大降低。设计中为了满足高耐压和低通态电阻的要求，要求耐压层中柱区长宽比很大。高压IGBT芯片耐压层很厚，因此无论采用刻蚀外延还是多次外延注入工艺，在长宽比较大的情况下很难满足电荷平衡且制备成本很高。
(2)超结结构中寄生着PiN二极管，工作中起到反并联续流二极管作用。正向导通时，大量过剩载流子储存在n柱中，使得超结结构反向恢复电荷很高。同时，超结结构中n柱及p柱通常很窄，横向pn结使得载流子迅速排出，反向恢复较硬，反向恢复具有较高的电流峰值，较大的电磁干扰（EMI）噪声和较高的功耗。反向恢复电流下降速度过大使得其在电路电感中产生较高的电动势，这个电动势叠加到电源上不仅提高了二极管及开关元件对电压的要求和成本，同时也对二极管和开关器件产生威胁。
针对这些问题，目前已经提出了如掺金、铂或通过辐照来控制载流子寿命，减小反向恢复电荷等方法。但掺杂会破坏电荷平衡，辐照对器件使用寿命有较大的影响。因此，有人提出在超结MOSFET中使用肖特基接触来改善开关特性。第三代COOLMOSTM C3系列则通过在内部集成一个SiC二极管来改善其反向恢复特性，取得了较好的效果但增加了制造难度及成本。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种具有半超结结构的IGBT。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种具有半超结结构的IGBT，将电荷补偿理论应用在IGBT芯片设计中，制备工艺与现有CoolMOS相兼容，解决了超结结构本身的不足。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种具有半超结结构的IGBT，所述IGBT包括漂移区、位于所述漂移区上方的p型区及n型区、位于所述漂移区下方的缓冲层、以及位于所述缓冲层下方的注入层，所述漂移区为由交替相间的p柱和n柱构成的超结结构，所述漂移区和缓冲层之间还设有电压支持层，所述漂移区和电压支持层构成半超结结构。
作为本发明的进一步改进，所述缓冲层为n型区，所述注入层为p型区。
作为本发明的进一步改进，所述电压支持层为n型区。
作为本发明的进一步改进，所述注入层为p+掺杂，所述电压支持层为n-掺杂。
作为本发明的进一步改进，所述漂移区中的p柱为p-掺杂，n柱为n-掺杂。
作为本发明的进一步改进，所述半超结结构的击穿电压为漂移区和电压支持层的击穿电压之和，即VBsemi-SJ=VBSJ+VBBAL，VBsemi-SJ、VBSJ、VBBAL分别为半超结结构、漂移区和电压支持层的击穿电压。
作为本发明的进一步改进，所述半超结结构的导通电阻为漂移区和电压支持层的导通电阻之和，即Rsemi-SJ=RBAL+RSJ，Rsemi-SJ、RSJ、RBAL分别为半超结结构、漂移区和电压支持层的导通电阻。
作为本发明的进一步改进，所述半超结结构的导通电阻为：
其中，μ为载流子迁移率，EC为临界击穿电场，εs为Si介电常数，ASJ为超结长宽比，且ASJ=tSJ/wSJ。
作为本发明的进一步改进，所述漂移区上方n型区两端分别设有发射极和栅极，所述注入层的下方设有集电极。
本发明的有益效果是：
将半超结结构引入IGBT中，相同通态比电阻时，半超结结构IGBT相对于超结结构IGBT长宽比更小，可以减少制备工艺，降低工艺难度和成本；
半超结结构底端电压支持层相当于外延双基区二极管结构中的缓冲层，解决了超结结构IGBT反向恢复较硬的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中超结结构SJ-IGBT的结构示意图及电场分布曲线图；
图2为本发明一实施方式中半超结结构Semi-SJ-IGBT的结构示意图及电场分布曲线图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
参图1所示，现有技术中超结结构SJ-IGBT包括由交替相间的p柱31和n柱32构成的超结结构漂移区、位于漂移区上方的p型区2及n型区1、位于漂移区下方的缓冲层4、以及位于缓冲层4下方的注入层5，该超结结构SJ-IGBT还包括位于n型区1上方的发射极6、栅极7和位于注入层5下方的集电极8。
超结结构SJ-IGBT中，集电极外加较大偏压时，理想情况下施主和受主电离产生出正电荷及负电荷完全补偿，类似于本征。所以，即使n柱及p柱掺杂浓度很高，也能得到很高的击穿电压，击穿电压与掺杂浓度无关。
参图2所示，本发明中半超结结构Semi-SJ-IGBT是在超结结构（SJ）的基础上加入一个n型区，如图2所示，称为电压支持层9(或底端辅助层，BAL:bottom assist layer）。
由图2以看出，半超结结构击穿电压及导通电阻为超结结构SJ与底端BAL层之和。Semi-SJ-IGBT通态比电阻Rsemi-SJ与击穿电压VBsemi-SJ可以表示为：
VBsemi-SJ=VBSJ+VBBAL；
其中μ为载流子迁移率，EC为临界击穿电场，εs为Si介电常数，ASJ为超结结构长宽比（ASJ=tSJ/wSJ）。
由上述关系可以看出，对于超结结构，ASJ越大，器件性能越好，但制备难度大，工艺复杂，成本高。
通过上述关系推导Semi-SJ IGBT通态比电阻随厚度比rt（rt=tSJ/tsemi-SJ）的变化关系可以看出，随着rt的增加，通态比电阻先降低后升高，rt=1时为超结结构，rt=0时为传统结构。不同ASJ对应不同通态比电阻最小值。随着ASJ的增加，通态比电阻最小值向rt=1靠近。同时，无论ASJ怎么变化，优化后的Semi-SJ IGBT通态比电阻小于优化后的SJ IGBT，且都随着ASJ的升高而降低，Semi-SJ IGBT在长宽比ASJ较小时通态比电阻优势更加明显。
上述分析结果说明，相同耐压下，半超结结构通态比电阻可以低于超结结构。这说明相同通态比电阻时，半超结结构的长宽比更小，可以减少制备工艺，降低工艺难度和成本，适合高压IGBT芯片。
SJ IGBT漂移区中横向pn结使得在较低的反向电压下漂移层完全耗尽，结电容迅速下降至零而导致dir/dt很大，软度因子较小，反向恢复电流迅速截止而在电路电感上产生较高的电动势，导致电磁干扰EMI及较高的功耗。Semi-SJ-IGBT底端BAL层相当于外延双基区二极管结构中的缓冲层，反向恢复过程中耗尽区到达BAL层后扩展速度明显减慢。这样，经过少数载流子存储时间之后，缓冲层中还有大量的载流子未被复合或者抽走，这使得复合时间相应增加，反向恢复特性变软，二极管软度因子提高。
电力电子器件的发展使得电力电子技术朝着大容量、高频化、高效节能、高可靠性和低成本方向发展。目前，IGBT模块满足电力电子装置的绝大部分要求。然而对于高压IGBT模块，漂移区很厚且掺杂浓度很低，导通压降较大。
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
将半超结结构引入IGBT中，相同通态比电阻时，半超结结构IGBT相对于超结结构IGBT长宽比更小，可以减少制备工艺，降低工艺难度和成本；
半超结结构底端电压支持层相当于外延双基区二极管结构中的缓冲层，解决了超结结构IGBT反向恢复较硬的问题。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种具有半超结结构的IGBT，所述IGBT包括漂移区、位于所述漂移区上方的p型区及n型区、位于所述漂移区下方的缓冲层、以及位于所述缓冲层下方的注入层，所述漂移区为由交替相间的p柱和n柱构成的超结结构，其特征在于，所述漂移区和缓冲层之间还设有电压支持层，所述漂移区和电压支持层构成半超结结构。
2.根据权利要求1所述的具有半超结结构的IGBT，其特征在于，所述缓冲层为n型区，所述注入层为p型区。
3.根据权利要求2所述的具有半超结结构的IGBT，其特征在于，所述电压支持层为n型区。
4.根据权利要求3所述的具有半超结结构的IGBT，其特征在于，所述注入层为p+掺杂，所述电压支持层为n-掺杂。
5.根据权利要求1所述的具有半超结结构的IGBT，其特征在于，所述漂移区中的p柱为p-掺杂，n柱为n-掺杂。
6.根据权利要求1所述的具有半超结结构的IGBT，其特征在于，所述半超结结构的击穿电压为漂移区和电压支持层的击穿电压之和，即VBsemi-SJ=VBSJ+VBBAL，VBsemi-SJ、VBSJ、VBBAL分别为半超结结构、漂移区和电压支持层的击穿电压。
7.根据权利要求1所述的具有半超结结构的IGBT，其特征在于，所述半超结结构的导通电阻为漂移区和电压支持层的导通电阻之和，即Rsemi-SJ=RBAL+RSJ，Rsemi-SJ、RSJ、RBAL分别为半超结结构、漂移区和电压支持层的导通电阻。
8.根据权利要求7所述的具有半超结结构的IGBT，其特征在于，所述半超结结构的导通电阻为：
其中，μ为载流子迁移率，EC为临界击穿电场，εs为Si介电常数，ASJ为超结长宽比，且ASJ=tSJ/wSJ。
9.根据权利要求1所述的具有半超结结构的IGBT，其特征在于，所述漂移区上方n型区两端分别设有发射极和栅极，所述注入层的下方设有集电极。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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