CN106206705A - 一种具有双栅的rc‑igbt - Google Patents
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Abstract
本发明属于功率半导体技术领域，具体涉及一种具有双栅RC‑IGBT。本发明相对与传统结构，主要在底部集电区引入第二沟槽栅。新器件正向导通时，由于第二沟槽栅相对于集电极加一负电压，使第二沟槽栅外围形成P反型层，增加了注入面积。此外，P反型层外围耗尽区挤占电子电流路径，电子电流路径上的电阻增大，从而有效抑制电压折回效应。新器件关断时，第二沟槽栅和集电极短接，漂移区内电子受第二沟槽栅吸引并通过N集电区流出。另外，第二沟槽栅在耐压阶段也可以起到电场截止作用。新器件反向导通时，电流分布将会更加均匀。本发明的有益效果为，相对于传统结构，本发明消除了电压折回效应，同时具有更快的关断速度，二极管模式下电流更均匀。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体技术领域，涉及一种具有双栅的RC-IGBT(ReverseConducting-Insulated Gate Bipolar Transistor，逆导型绝缘栅双极型晶体管)。
背景技术
在几乎所有IGBT的应用电路中，IGBT旁都会有一个反向并联的二极管作为续流保护。因为IGBT反向工作时等效为一个开基区PNP三极管，并没有像VDMOS那样的体二极管，因此没有续流能力。RC-IGBT相当于将普通的IGBT和续流二极管集成在一起，使器件具有反向导通能力。应用RC-IGBT可以节省系统所用的器件的个数，使系统的功耗降低，同时也可以消除由于IGBT和二极管独立封装带来寄生效应。
RC-IGBT面临问题之一就是电压折回效应(snapback)。由于RC-IGBT在电压较小的时候，P集电区与漂移区所形成的二极管不导通，器件处于单极模式。当外部电压足够高时，P集电区与漂移区所形成的二极管导通，P集电区往漂移区内注入空穴，发生电导调制效应，器件处于双极模式。当RC-IGBT由单极模式转换到双极模式时，输出电流电压曲线就会发生电压折回效应，如说明书附图1所示。电压折回效应容易使IGBT模块局部电流集中，造成器件烧毁。传统的RC-IGBT都是通过增加P集电区的长度，使P集电区上的分布式电阻增大，从而有效抑制电压折回效应，如说明书附图2所示。这种做法会使P集电极的长度远大于N集电极的长度，导致RC-IGBT反向导通时电流分布不均，二极管特性不佳。
发明内容
本发明的目的，就是针对上述问题，提出一种具有双栅的RC-IGBT。
本发明的技术方案是：一种具有双栅的RC-IGBT，包括N漂移区6、位于N漂移区6上的MOS元胞结构和位于N漂移区6下的集电极结构；所述MOS元胞结构包括第一沟槽栅和P型阱区3；所述第一沟槽栅包括第一绝缘层41和位于第一绝缘层41中的第一导电材料51，第一导电材料51的引出端为第一栅电极；所述P型阱区3位于第一沟槽栅两侧，所述P型阱区3上表面具有N+发射极区1和P+体接触区2，且N+发射极区1与栅氧化层接触，P+体接触区2位于N+发射极区1两侧，N+发射极区1和P+体接触区2的共同引出端为发射极；所述集电极结构包括第二沟槽栅、P集电区7和N集电区8；所述第二沟槽栅包括第二绝缘层42和位于第二绝缘层42中的第二导电材料52，第二导电材料52的引出端为第二栅电极；P集电区7和N集电区8分布在第二沟槽栅两侧，P集电区7的长度大于N集电区8，并且P集电区7和N集电区8的共同引出端为集电极。
本发明通过在底部集电区插入第二沟槽栅，不仅有效消除了电压折回的效应，而且拥有较好的IGBT和二极管特性。
进一步的，所述的每一个MOS元胞结构对应两个第二沟槽栅、一个P集电区7和两个N集电区8，P集电区7位于两个第二沟槽栅之间，N集电区8分别分布在两个第二沟槽栅外侧。
进一步的，所述的每一个MOS元胞结构对应两个第二沟槽栅、两个P集电区7和一个N集电区8，N集电区8位于两个第二沟槽栅之间，两个P集电区7分别分布在两个第二沟槽栅外侧。
进一步的，所述的每一个MOS元胞结构对应两个第二沟槽栅、两个P集电区7和一个N集电区8，N集电区8位于一个第二沟槽栅的外侧，一个P集电区7位于两个第二沟槽栅之间，另一个P集电区7位于另一个第二沟槽栅的外侧。
进一步的，所述的每一个MOS元胞结构对应一个第二沟槽栅、一个P集电区7和一个N集电区8，P集电区7和N集电区8分别位于第二沟槽栅的两侧；所述的P集电区7上表面具有N型缓冲层9。
进一步的，所述的P集电区7上表面具有N型缓冲层9。
进一步的，所述半导体材料包括但不限于Si、SiC、SiGe、GaAs或GaN。
本发明的有益效果为，相对于传统的结构，本发明具有更快的关断速度，更好的二极管特性。
附图说明
图1为RC-IGBT电压折回效应示意图；
图2为传统RC-IGBT结构示意图；
图3为实施例1的结构示意图；
图4为实施例2的结构示意图；
图5为实施例3的结构示意图；
图6为实施例4的结构示意图；
图7为实施例5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3所示，本例的具有双栅的RC-IGBT，包括N漂移区6、位于N漂移区6上的MOS元胞结构和位于N漂移区6下的集电极结构；所述MOS元胞结构包括第一沟槽栅和P型阱区3；所述第一沟槽栅包括第一绝缘层41和位于第一绝缘层41中的第一导电材料51，第一导电材料51的引出端为第一栅电极；所述P型阱区3位于第一沟槽栅两侧，所述P型阱区3上表面具有N+发射极区1和P+体接触区2，且N+发射极区1与栅氧化层接触，P+体接触区2位于N+发射极区1两侧，N+发射极区1和P+体接触区2的共同引出端为发射极；所述集电极结构包括第二沟槽栅、P集电区7和N集电区8；所述第二沟槽栅包括第二绝缘层42和位于第二绝缘层42中的第二导电材料52，第二导电材料52的引出端为第二栅电极；P集电区7和N集电区8分布在第二沟槽栅两侧，P集电区7的长度大于N集电区8，并且P集电区7和N集电区8的共同引出端为集电极，本例中每一个MOS元胞结构对应两个第二沟槽栅、一个P集电区7和两个N集电区8，P集电区7位于两个第二沟槽栅之间，N集电区8分别分布在两个第二沟槽栅外侧。
本例的工作原理为：
新器件在正向导通时，主沟槽栅开通，同时第二沟槽栅相对与集电极加一定的负电压。此时，第二沟槽栅外围会有一层连接P集电区的P反型层形成，有效的增加了器件的注入面积。同时，P反型层的外围也会有一层较厚的耗尽层，耗尽层会挤占电子电流的路径，增加了电子路径上的电阻，P集电区连同P反型层与N漂移区形成的二极管更易导通，有效消除了电压折回效应。新器件关断时，主沟槽栅关断，第二沟槽栅与集电极通过外围电路短接。由于第二沟槽栅电势相对于N漂移区要高，所以漂移区内电子更易被第二沟槽栅吸引，并通过N集电区流出，所以新器件有较快的关断速度。新器件处于耐压阶段时，耗尽区将会由顶部主结开始扩展，被第二沟槽栅截止。这是由于第二沟槽栅将集电极的最高电势引入到器件漂移区内，最高等势线将通过第二沟槽栅顶部，有效限制耗尽区进一步往下扩展，起到电场截止的作用。新器件反向导通时，发射极加高电位，第二沟槽栅和集电极短接到低电位，器件处于二极管模式下。由于新器件的N集电区占集电区的比例远大于传统的RC-IGBT，所以其电流分布更加均匀，二极管特性更好。
实施例2
如图4所示，本例与实施例1的区别在于，本例中每一个MOS元胞结构对应两个第二沟槽栅、两个P集电区7和一个N集电区8，N集电区8位于两个第二沟槽栅之间，两个P集电区7分别分布在两个第二沟槽栅外侧。与实施例1相比，本例抑制电压折回效应的效果更好，且具更大的注入面积。
实施例3
如图5所示，本例与实施例1的区别在于，本例中每一个MOS元胞结构对应两个第二沟槽栅、两个P集电区7和一个N集电区8，N集电区8位于一个第二沟槽栅的外侧，一个P集电区7位于两个第二沟槽栅之间，另一个P集电区7位于另一个第二沟槽栅的外侧。与实施例1相比，本例抑制电压折回效应的效果更好，且具更大的注入面积。
实施例4
如图6所示，本例与实施例1的区别在于，本例中每一个MOS元胞结构对应一个第二沟槽栅、一个P集电区7和一个N集电区8，P集电区7和N集电区8分别位于第二沟槽栅的两侧；所述的P集电区7上表面具有N型缓冲层9。与实施例1～3相比，本例抑制电压折回效应的效果更好，且第二沟槽栅具有更小的深度，制作更加简单。
实施例5
如图7所示，本例与实施例2的区别在于，本例中P集电区7上表面具有N型缓冲层9。与实施例2相比，本例第二沟槽栅具有更小的深度，制作更加简单。
Claims (7)
1.一种具有双栅的RC-IGBT，包括N漂移区(6)、位于N漂移区(6)上的MOS元胞结构和位于N漂移区(6)下的集电极结构；所述MOS元胞结构包括第一沟槽栅和P型阱区(3)；所述第一沟槽栅包括第一绝缘层(41)和位于第一绝缘层(41)中的第一导电材料(51)，第一导电材料(51)的引出端为第一栅电极；所述P型阱区(3)位于第一沟槽栅两侧，所述P型阱区(3)上表面具有N+发射极区(1)和P+体接触区(2)，且N+发射极区(1)与栅氧化层接触，P+体接触区(2)位于N+发射极区(1)两侧，N+发射极区(1)和P+体接触区(2)的共同引出端为发射极；所述集电极结构包括第二沟槽栅、P集电区(7)和N集电区(8)；所述第二沟槽栅包括第二绝缘层(42)和位于第二绝缘层(42)中的第二导电材料(52)，第二导电材料(52)的引出端为第二栅电极；P集电区(7)和N集电区(8)分布在第二沟槽栅两侧，P集电区(7)的长度大于N集电区(8)，并且P集电区(7)和N集电区(8)的共同引出端为集电极。
2.根据权利要求1所述的一种具有双栅的RC-IGBT，其特征在于，所述的每一个MOS元胞结构对应两个第二沟槽栅、一个P集电区(7)和两个N集电区(8)，P集电区(7)位于两个第二沟槽栅之间，N集电区(8)分别分布在两个第二沟槽栅外侧。
3.根据权利要求1所述的一种具有双栅的RC-IGBT，其特征在于，所述的每一个MOS元胞结构对应两个第二沟槽栅、两个P集电区(7)和一个N集电区(8)，N集电区(8)位于两个第二沟槽栅之间，两个P集电区(7)分别分布在两个第二沟槽栅外侧。
4.根据权利要求1所述的一种具有双栅的RC-IGBT，其特征在于，所述的每一个MOS元胞结构对应两个第二沟槽栅、两个P集电区(7)和一个N集电区(8)，N集电区(8)位于一个第二沟槽栅的外侧，一个P集电区(7)位于两个第二沟槽栅之间，另一个P集电区(7)位于另一个第二沟槽栅的外侧。
5.根据权利要求1所述的一种具有双栅的RC-IGBT，其特征在于，所述的每一个MOS元胞结构对应一个第二沟槽栅、一个P集电区(7)和一个N集电区(8)，P集电区(7)和N集电区(8)分别位于第二沟槽栅的两侧；所述的P集电区(7)上表面具有N型缓冲层(9)。
6.根据权利要求2所述的一种具有双栅的RC-IGBT，其特征在于，所述的P集电区(7)上表面具有N型缓冲层(9)。
7.根据权利要求1～6所述的任意一种具有双栅的RC-IGBT，其特征在于，所述半导体材料包括但不限于Si、SiC、SiGe、GaAs或GaN。
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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 |