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

一种具有超结的rb-igbt Download PDF

Info

Publication number
CN105932056B
CN105932056B CN201610513921.7A CN201610513921A CN105932056B CN 105932056 B CN105932056 B CN 105932056B CN 201610513921 A CN201610513921 A CN 201610513921A CN 105932056 B CN105932056 B CN 105932056B
Authority
CN
China
Prior art keywords
type
layer
collector
slot
igbt
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610513921.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105932056A (zh
Inventor
罗小蓉
黄琳华
周坤
邓高强
张波
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN201610513921.7A priority Critical patent/CN105932056B/zh
Publication of CN105932056A publication Critical patent/CN105932056A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105932056B publication Critical patent/CN105932056B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/0603—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions
    • H01L29/0607—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration
    • H01L29/0611—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse biased devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70—Bipolar devices
    • H01L29/72—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
    • H01L29/739—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals controlled by field-effect, e.g. bipolar static induction transistors [BSIT]
    • H01L29/7393—Insulated gate bipolar mode transistors, i.e. IGBT; IGT; COMFET

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Thyristors (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

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。
CN201610513921.7A 2016-07-01 2016-07-01 一种具有超结的rb-igbt Active CN105932056B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610513921.7A CN105932056B (zh) 2016-07-01 2016-07-01 一种具有超结的rb-igbt

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610513921.7A CN105932056B (zh) 2016-07-01 2016-07-01 一种具有超结的rb-igbt

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105932056A CN105932056A (zh) 2016-09-07
CN105932056B true CN105932056B (zh) 2018-08-31

Family

ID=56829822

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610513921.7A Active CN105932056B (zh) 2016-07-01 2016-07-01 一种具有超结的rb-igbt

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105932056B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107464842A (zh) * 2017-08-03 2017-12-12 电子科技大学 一种具有集电极槽的超结逆导型igbt
CN108091567B (zh) * 2017-12-13 2020-03-13 西安龙腾新能源科技发展有限公司 半超结fs iegt结构及其制造方法
CN108288649B (zh) * 2018-02-10 2020-05-05 重庆大学 一种有两种载流子导电的超结功率mosfet
CN109449202B (zh) * 2018-10-30 2021-10-22 广州工商学院 一种逆导双极型晶体管

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19750827A1 (de) * 1997-11-17 1999-05-20 Asea Brown Boveri Leistungshalbleiterbauelement mit Emitterinjektionssteuerung
CN104299990A (zh) * 2013-07-19 2015-01-21 无锡华润上华半导体有限公司 绝缘栅双极晶体管及其制造方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3647802B2 (ja) * 2001-01-25 2005-05-18 株式会社東芝 横型半導体装置
JP5417811B2 (ja) * 2008-11-18 2014-02-19 株式会社デンソー 半導体装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19750827A1 (de) * 1997-11-17 1999-05-20 Asea Brown Boveri Leistungshalbleiterbauelement mit Emitterinjektionssteuerung
CN104299990A (zh) * 2013-07-19 2015-01-21 无锡华润上华半导体有限公司 绝缘栅双极晶体管及其制造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
The Semi-Superjunction IGBT;Marina Antoniou等;《IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS》;20100630;第31卷(第6期);第591-593页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN105932056A (zh) 2016-09-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108389901B (zh) 一种载流子存储增强型超结igbt
CN108198851A (zh) 一种具有增强载流子存储效应的超结igbt
CN108389902B (zh) 一种含有背面槽栅的逆导型igbt
CN108183130B (zh) 带有p型埋层的双栅载流子储存性igbt器件
CN105932056B (zh) 一种具有超结的rb-igbt
CN107293579A (zh) 一种具有低导通压降的超结igbt
CN112928156B (zh) 一种浮空p柱的逆导型槽栅超结IGBT
CN111048585B (zh) 一种含有背面槽型介质及浮空区的逆导型igbt
CN108493241B (zh) 一种具有内置jfet结构的igbt器件
CN110416294B (zh) 一种高耐压低损耗超结功率器件
CN109148572B (zh) 一种反向阻断型fs-igbt
CN106252399B (zh) 一种逆导型igbt
CN106206679A (zh) 一种逆导型igbt
CN102723363A (zh) 一种vdmos器件及其制作方法
CN109728084A (zh) 一种具有深槽电场屏蔽结构的平面栅igbt器件
CN102306657A (zh) 一种具有浮空埋层的绝缘栅双极型晶体管
CN109585540A (zh) 一种具有载流子存储层的平面栅igbt器件
CN106783989A (zh) 一种具有阳极短路槽的rb‑igbt
CN107134488B (zh) 一种载流子存储增强的绝缘栅双极型晶体管
CN105355655A (zh) 一种槽栅双极型晶体管
CN102544084A (zh) 一种双阳极短接的igbt器件
CN109904221B (zh) 一种超结双向开关
CN112928155B (zh) 一种浮空p柱的槽栅超结IGBT
CN110504305A (zh) 一种具有自偏置pmos钳位载流子存储层的SOI-LIGBT器件
CN108766998B (zh) 一种具有凹槽栅型jfet结构的igbt器件

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant