CN105932056B - 一种具有超结的rb-igbt - Google Patents

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Abstract

本发明属于功率半导体技术领域，特别涉及一种具有超结的RB‑IGBT。本发明相对于传统结构，主要提出了在漂移区中设置超结结构和增加集电极槽，由于超结结构的存在，使得其纵向电场近似为矩形分布。传统NPT结构由于不存在超结结构，其纵向电场近似为三角形分布。所以在耐压相同的情况下，新器件所需厚度更薄，导通压降更低。新器件在反向耐压状态下，由于集电极槽的存在，第一N型层被全耗尽，而不会在P型集电极层和第一N型层形成的PN结处提前击穿，保证了与正向耐压对称的反向耐压值。本发明的有益效果为，能够双向耐压相对于传统结构，本发明具有更高速度和更低功耗的优点，需要更少的元器件构成双向开关。

Description

一种具有超结的RB-IGBT
技术领域
本发明属于功率半导体技术领域，涉及一种具有超结的RB-IGBT(ReverseBlocking–Insulated Gate Bipolar Transistor，反向阻断绝缘栅双极型晶体管)。
背景技术
RB-IGBT是一种具有反向阻断能力的新型功率半导体器件，正反向均可耐压。由两个RB-IGBT反并联即可构成一个双向开关，可对双向流动的电流进行控制。与传统由两个普通IGBT和两个快恢复二极管构成的双向开关相比，在功率相当的情况下，由RB-IGBT构成的双向开关不需要额外的快恢复二极管，通态损耗较低，并且可以节省元器件的个数。因此，RB-IGBT比较适合应用于矩阵变换器、交流斩波器等直接AC/AC变换装置及电流型变换器。
传统的RB-IGBT使用NPT(Non-Punch-Through)结构，如图1所示。NPT结构的RB-IGBT并没有采用现如今最为受欢迎的FS(Field Stop)层，原因是掺杂浓度较高的FS层与P型阳极形成的PN结在反向阻断时会提前击穿，这是RB-IGBT所不希望出现的。这就使NPT结构的RB-IGBT实现高耐压时，其漂移区非常的厚，导通压降过大；关断时需要抽取和复合大量的非平衡载流子，导致电流拖尾现象严重，关断损耗增加。
发明内容
本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种具有超结的RB-IGBT。
本发明的技术方案是：一种具有超结的RB-IGBT，包括集电极结构、耐压区、发射极结构和栅极结构，其中耐压区位于集电极结构之上，发射极结构和栅极结构位于耐压区之上；
所述集电极结构包括P型集电极层1和位于P型集电极层1上表面的第一N型层2；
所述耐压区包括N型漂移区51，所述N型漂移区51位于第一N型层2上表面；
所述发射极结构包括位于耐压区上表面的第二N型层6和位于第二N型层6上表面的P型阱区7，所述P型阱区7上层具有相互独立的N型发射极区8和P型体接触区9；所述N型发射极区8和P型体接触区9的共同引出端为发射极；
其特征在于，所述集电极结构还包括集电极槽，所述集电极槽与P型集电极层1和第一N型层2水平并列设置，集电极槽的侧面与P型集电极层1和第一N型层2的侧面接触，且集电极槽的结深大于或等于P型集电极层1和第一N型层2的结深之和；所述P型集电极层1和集电极槽的共同引出端为集电极；所述集电极槽由第一导电材料31和第一绝缘介质41构成，第一导电材料31位于第一绝缘介质41之中；所述耐压区中包括P型柱52，所述P型柱52与N型漂移区51形成超结结构或半超结结构。
进一步的，所述栅极结构为沟槽栅，所述沟槽栅由第二绝缘介质42和位于第二绝缘介质42之中的第二导电材料41构成；所述第二导电材料41的引出端为栅极；所述沟槽栅从表面垂直穿过P型阱区7与第二N型层6，沟槽栅的侧面与第二N型层6、P型阱区7和N型发射极区8的侧面接触。
进一步的，所述P型柱52的上表面与沟槽栅下表面连接，P型柱52的下表面与集电极槽的上表面连接；同时N型漂移区51、集电极层1和第一N型层2位于第二N型层6下方。
进一步的，所述P型柱区52的上表面与第二N型层6下表面连接，P型柱52的下表面与集电极槽的上表面连接；同时N型柱区51、集电极层1和第一N型层2位沟槽栅下方，且沟槽栅的水平宽度小于N型柱区的水平宽度。
进一步的，所述P型柱52的上表面与沟槽栅下表面连接，且位于P型柱位于集电极槽的上方，P型柱与集电极槽之间仍为N型漂移区；同时集电极层1和第一N型层2位于第二N型层6下方。
进一步的，所述集电极槽位于沟槽栅的下方，所述P型柱52的上表面与第二N型层6下表面连接，且其底部位置高于集电极槽顶部位置；同时集电极层1和第一N型层2位于P型柱52下方。
进一步的，所述栅极结构为平面栅，所述平面栅由第二绝缘介质42和位于第二绝缘介质42上表面的第二导电材料32构成；所述第二导电材料32的引出端为栅极；所述第二绝缘介质42位于N型漂移区、第二N型层6、P型阱区7和部分N型发射极区8上表面；发射极结构位于P型柱52上方。
进一步的，所述P型柱52的上表面与位于发射极下方的第二N型层6的下表面连接；同时集电极层1和第一N型层2位于平面栅下方。
进一步的，所述P型柱52的下表面延伸至与集电极槽的上表面连接。
本发明的有益效果为，相对于传统结构，本发明具有高速度和低功耗的优点，需要更少的元器件构成双向开关。
附图说明
图1为传统的NPT结构RB-IGBT结构示意图；
图2为实施例1的结构示意图；
图3为实施例2的结构示意图；
图4为实施例3的结构示意图；
图5为实施例4的结构示意图；
图6为实施例5的结构示意图；
图7为实施例6的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：
实施例1
如图2所述，本例为沟槽栅RB-IGBT，包括阳极结构、耐压区、阴极结构和沟槽栅，其中耐压区位于阳极结构之上，阴极结构和栅极结构位于耐压区之上；
所述阳极结构包括P型阳极层1和位于P型阳极层1上表面的第一N型层2；
所述耐压区包括N型漂移区51，所述N型漂移区51位于第一N型层2上表面；
所述阴极结构包括位于N型漂移区51上表面的第二N型层6和位于第二N型层6上表面的P型阱区7，所述P型阱区7上层具有相互独立的N型阴极区8和P型体接触区9；所述N型阴极区8和P型体接触区9的共同引出端为阴极；
所述沟槽栅由第二绝缘介质42和位于第二绝缘介质42之中的第二导电材料41构成；所述第二导电材料41的引出端为栅极；所述沟槽栅的结深大于或等于第二N型层6与P型阱区7的结深之和，沟槽栅的侧面与第二N型层6、P型阱区7和N型阴极区8的侧面接触其特征在于，所述阳极结构还包括阳极槽，所述阳极槽与P型阳极层1和第一N型层2并列设置，阳极槽的侧面与P型阳极层1和第一N型层2的侧面接触，且阳极槽的结深大于或等于P型阳极层1和第一N型层2的结深之和；所述P型阳极层1和阳极槽的共同引出端为阳极；所述阳极槽由第一导电材料31和第一绝缘介质41构成，第一导电材料31位于第一绝缘介质41之中；
所述耐压区中还包括P型柱52，所述P型柱52与N型漂移区51并列设置并形成超结结构；所述P型柱52的上表面与第二N型层6的下表面连接，P型柱52的下表面与阳极槽的上表面连接。
本例的工作原理为：
新器件在正向耐压状态下，由于超结结构的存在，使得其纵向电场近似为矩形分布。传统NPT结构由于不存在超结结构，其纵向电场近似为三角形分布。所以在耐压相同的情况下，新器件所需厚度更薄，导通压降更低。新器件在反向耐压状态下，由于阳极槽的存在，第一N型层2被全耗尽，而不会在P型阳极层1和第一N型层2形成的PN结处提前击穿，保证了与正向耐压对称的反向耐压值。新器件在关断时，由于超结结构的存在，耗尽区不但会纵向扩展，同时也会横向扩展，所以耐压区内存储的载流子将被较快的抽取。传统NPT结构耗尽区只有纵向扩展，耐压区内的载流子抽取的较慢，有很长的拖尾电流，关断损耗较大。
实施例2
如图3所示，本例的基本结构与实施例1相同，不同的地方是P型柱52的上表面与第二N型层6连接，并且阳极槽和沟槽栅错开。与实施例1相比，本例具有较小的米勒电容，开关特性较好。
实施例3
如图4所示，本例的基本结构与实施例1相同，不同的地方是P型柱52的结深小于漂移的结深，与实施例1相比，本例具有较简单的制作工艺。
实施例4
如图5所示，本例的基本结构与实施例2相同，不同的地方是P型柱52的结深小于漂移的结深，与实施例1相比，本例具有较简单的制作工艺。
实施例5
如图6所示，本例为平面栅结构的RB-IGBT器件，包括阳极结构、耐压区、阴极结构和平面栅，其中耐压区位于阳极结构之上，阴极结构和栅极结构位于耐压区之上；
所述阳极结构包括P型阳极层1和位于P型阳极层1上表面的第一N型层2；
所述耐压区包括N型漂移区51，所述N型漂移区51位于第一N型层2上表面；
所述阴极结构包括位于N型漂移区51上表面的第二N型层6和位于第二N型层6上表面的P型阱区7，所述P型阱区7上层具有相互独立的N型阴极区8和P型体接触区9；所述N型阴极区8和P型体接触区9的共同引出端为阴极；
所述平面栅由第二绝缘介质42和位于第二绝缘介质42上表面的第二导电材料32构成；所述第二导电材料的引出端为栅极；所述第二绝缘介质42位于N型漂移区、第二N型层6、P型阱区7和部分N型阴极区8上表面；
所述耐压区中还包括P型柱52，所述P型柱52与N型漂移区51并列设置并形成超结结构；所述P型柱52的上表面与第二N型层6的下表面连接，P型柱52的下表面与阳极槽的上表面连接。
本例的工作原理为：
本例的工作原理与实施例1类似，都是利用超结结构实现较高的正反向耐压值和较低的关断损耗，利用阳极槽耗尽第一N型层2，实现反向耐压。
实施例6
如图7所示，本例的基本结构与实施例5相同，不同的地方是P型柱52的结深小于漂移的结深，与实施例5相比，本例具有较简单的制作工艺。

Claims (9)

1.一种具有超结的RB-IGBT，包括集电极结构、耐压区、发射极结构和栅极结构，其中耐压区位于集电极结构之上，发射极结构和栅极结构位于耐压区之上；
所述集电极结构包括P型集电极层(1)和位于P型集电极层(1)上表面的第一N型层(2)；
所述耐压区包括N型漂移区(51)，所述N型漂移区(51)位于第一N型层(2)上表面；
所述发射极结构包括位于耐压区上表面的第二N型层(6)和位于第二N型层(6)上表面的P型阱区(7)，所述P型阱区(7)上层具有相互独立的N型发射极区(8)和P型体接触区(9)；所述N型发射极区(8)和P型体接触区(9)的共同引出端为发射极；
其特征在于，所述集电极结构还包括集电极槽，所述集电极槽与P型集电极层(1)和第一N型层(2)水平并列设置，集电极槽的侧面与P型集电极层(1)和第一N型层(2)的侧面接触，且集电极槽的结深大于或等于P型集电极层(1)和第一N型层(2)的结深之和；所述P型集电极层(1)和集电极槽的共同引出端为集电极；所述集电极槽由第一导电材料(31)和第一绝缘介质(41)构成，第一导电材料(31)位于第一绝缘介质(41)之中；所述耐压区中包括P型柱(52)，所述P型柱(52)与N型漂移区(51)形成超结结构或半超结结构。
2.根据权利要求1所述的一种具有超结的RB-IGBT，其特征在于，所述栅极结构为沟槽栅，所述沟槽栅由第二绝缘介质(42)和位于第二绝缘介质(42)之中的第二导电材料(32)构成；所述第二导电材料(32)的引出端为栅极；所述沟槽栅从表面垂直穿过P型阱区(7)与第二N型层(6)，沟槽栅的侧面与第二N型层(6)、P型阱区(7)和N型发射极区(8)的侧面接触。
3.根据权利要求2所述的一种具有超结的RB-IGBT，其特征在于，所述P型柱(52)的上表面与沟槽栅下表面连接，P型柱(52)的下表面与集电极槽的上表面连接；同时N型漂移区(51)、集电极层(1)和第一N型层(2)位于第二N型层(6)下方。
4.根据权利要求2所述的一种具有超结的RB-IGBT，其特征在于，所述P型柱区(52)的上表面与第二N型层(6)下表面连接，P型柱(52)的下表面与集电极槽的上表面连接；同时N型漂移区(51)、集电极层(1)和第一N型层(2)位沟槽栅下方，且沟槽栅的水平宽度小于N型漂移区的水平宽度。
5.根据权利要求2所述的一种具有超结的RB-IGBT，其特征在于，所述P型柱(52)的上表面与沟槽栅下表面连接，且位于P型柱位于集电极槽的上方，P型柱与集电极槽之间仍为N型漂移区；同时集电极层(1)和第一N型层(2)位于第二N型层(6)下方。
6.根据权利要求2所述的一种具有超结的RB-IGBT，其特征在于，所述集电极槽位于沟槽栅的下方，所述P型柱(52)的上表面与第二N型层(6)下表面连接，且其底部位置高于集电极槽顶部位置；同时集电极层(1)和第一N型层(2)位于P型柱(52)下方。
7.根据权利要求1所述的一种具有超结的RB-IGBT，其特征在于，所述栅极结构为平面栅，所述平面栅由第二绝缘介质(42)和位于第二绝缘介质(42)上表面的第二导电材料(32)构成；所述第二导电材料(32)的引出端为栅极；所述第二绝缘介质(42)位于N型漂移区、第二N型层(6)、P型阱区(7)和部分N型发射极区(8)上表面；发射极结构位于P型柱(52)上方。
8.根据权利要求7所述的一种具有超结的RB-IGBT，其特征在于，所述P型柱(52)的上表面与位于发射极下方的第二N型层(6)的下表面连接；同时集电极层(1)和第一N型层(2)位于平面栅下方。
9.根据权利要求8所述的一种具有超结的RB-IGBT，其特征在于，所述P型柱(52)的下表面延伸至与集电极槽的上表面连接。
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