CN106783989A - 一种具有阳极短路槽的rb‑igbt - Google Patents

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Abstract

本发明属于功率半导体技术领域，涉及一种具有阳极短路槽的RB‑IGBT。本发明相对于传统结构，主要提出了在集电极增加阳极短路槽，短路槽在正向耐压时起到电场截止的作用，使得电场近似矩形分布。传统NPT结构的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。同时，阳极短路槽在关断时产生电子积累层，提供电子低阻通道，加速电子抽取，降低关断损耗。新器件在反向耐压状态下，由于不存在高浓度的N型场截止层，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，本发明具有开关速度更快和关断功耗更低的优点。

Description

一种具有阳极短路槽的RB-IGBT
技术领域
本发明属于功率半导体技术领域，涉及一种具有阳极短路槽的RB-IGBT。
背景技术
双向开关是AC-AC矩阵变换器的核心，由两个IGBT反并联形成，双向控制需要IGBT具有反向阻断能力。业界的一般做法是将IGBT串联二极管来达到反向耐压的作用。而RB-IGBT本身具有反向阻断能力，正反向均可耐压。两个RB-IGBT反并联即可构成一个双向开关，与传统的做法相比，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，导通损耗较低，并且可以减小元器件的个数，从而减小矩阵变换器的体积。
传统的RB-IGBT利用NPT(Non-Punch-Through)结构的对称阻断能力，如图1所示。NPT结构的RB-IGBT没有引入FS(Field Stop)层，其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必须避免的。FS层的缺少使得NPT结构的RB-IGBT在实现高耐压时，漂移区较厚，导通损耗增加。同时，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，关断时间较长，关断损耗增加。
发明内容
本发明的目的，就是针对上述问题，提出一种具有阳极短路槽的RB-IGBT。
本发明的技术方案是：一种具有阳极短路槽的RB-IGBT，包括集电极结构、漂移区4、发射极结构和栅极结构，其中集电极结构位于漂移区下端，发射极结构和栅极结构位于漂移区4之上；
所述发射极结构包括位于漂移区上表面的N型存储层5和位于N型层5上表面的P型阱区6，所述P型阱区6上层沿器件横向方向并列设置有N型发射极区7和P型体接触区8；所述N型发射极区7和P型体接触区8的共同引出端为发射极；
其特征在于，所述集电极结构包括P型集电极层1与多个阳极短路槽，P型集电极层1位于N型漂移区4的下表面；所述阳极短路槽沿器件横向方向间断分布，且阳极短路槽沿器件垂直方向贯穿P型集电极层1延伸入N型漂移区4中；所述P型集电极层1和阳极短路槽的共同引出端为集电极；所述阳极短路槽由第一导电材料22和第一绝缘介质32构成，第一导电材料22位于第一绝缘介质32之中。
进一步的，所述栅极结构为沟槽栅，沟槽栅位于发射极结构的两侧；所述沟槽栅由第二导电材料21和第二绝缘介质31构成，第二绝缘介质31位于沟槽栅的侧壁和底部，第二导电材料21被第二绝缘介质31包围，所述第二导电材料21的引出端为栅极；所述沟槽栅从器件上表面沿垂直方向穿过P型阱区6与N型存储层5后与漂移区4接触，沟槽栅的侧面与N型层5、P型阱区6和N型发射极区7的侧面接触。
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31和位于第二绝缘介质31上表面的第二导电材料21构成；所述第二导电材料21的引出端为栅极；所述第二绝缘介质31与漂移区4上表面、N型存储层5、P型阱区表面6和部分N型发射极区7的上表面均接触。
进一步的，阳极短路槽之间沿器件横向方向上等间距。
进一步的，阳极短路槽之间沿器件横向方向上不等间距。
本发明的有益效果为，相比传统NPT结构，本发明具有阳极短路槽因而有更低的开关损耗和更快的开关速度。
附图说明
图1为传统的RB-IGBT结构示意图；
图2为实施例1结构示意图；
图3为实施例2结构示意图；
图4为实施例3结构示意图；
图5为实施例4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所示，本例为沟槽栅RB-IGBT，包括集电极结构、漂移区4、发射极结构和栅极结构，其中集电极结构位于漂移区下端，发射极结构和栅极结构位于漂移区4之上；
所述发射极结构包括位于漂移区上表面的N型存储层5和位于N型层5上表面的P型阱区6，所述P型阱区6上层沿器件横向方向并列设置有N型发射极区7和P型体接触区8；所述N型发射极区7和P型体接触区8的共同引出端为发射极；所述集电极结构包括P型集电极层1与多个阳极短路槽，P型集电极层1位于N型漂移区4的下表面；所述阳极短路槽沿器件横向方向间断分布，且阳极短路槽沿器件垂直方向贯穿P型集电极层1延伸入N型漂移区4中；所述P型集电极层1和阳极短路槽的共同引出端为集电极；所述阳极短路槽由第一导电材料22和第一绝缘介质32构成，第一导电材料22位于第一绝缘介质32之中，所述栅极结构为沟槽栅，沟槽栅位于发射极结构的两侧；所述沟槽栅由第二导电材料21和第二绝缘介质31构成，第二绝缘介质31位于沟槽栅的侧壁和底部，第二导电材料21被第二绝缘介质31包围，所述第二导电材料21的引出端为栅极；所述沟槽栅从器件上表面沿垂直方向穿过P型阱区6与N型存储层5后与漂移区4接触，沟槽栅的侧面与N型层5、P型阱区6和N型发射极区7的侧面接触。本例中，阳极短路槽之间沿器件横向方向上等间距。
本例的工作原理为：
新器件的短路槽在正向耐压时起到电场截止的作用，使得电场近似矩形分布。传统NPT结构的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。同时，阳极短路槽在关断时产生电子积累层，提供电子低阻通道，加速电子抽取，降低关断损耗。新器件在反向耐压状态下，由于不存在高浓度的N型场截止层，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NPT结构，本发明具有更高速度和更低功耗的优点。
实施例2
如图3所示，本例与实施例1的区别在于本例中阳极短路槽之间沿器件横向方向上不等间距，通过距离的优化进行场截止效果和开关特性的折中。
实施例3
如图4所示，本例与实施例1的区别在于，栅极结构为平面栅，所述平面栅由第二绝缘介质31和位于第二绝缘介质31上表面的第二导电材料21构成；所述第二导电材料21的引出端为栅极；所述第二绝缘介质31与漂移区4上表面、N型存储层5、P型阱区表面6和部分N型发射极区7的上表面均接触，本例中，阳极短路槽之间沿器件横向方向上等间距。
本例的工作原理为：
本例的工作原理与实施例1类似，都是利用阳极短路槽实现较高的正反向耐压值和较低的关断损耗。
实施例4
如图5所示，本例与实施例3的区别在于本例中阳极短路槽之间沿器件横向方向上不等间距，通过距离的优化进行场截止效果和开关特性的折中。

Claims (5)

1.一种具有阳极短路槽的RB-IGBT，包括集电极结构、漂移区(4)、发射极结构和栅极结构，其中集电极结构位于漂移区下端，发射极结构和栅极结构位于漂移区(4)之上；
所述发射极结构包括位于漂移区上表面的N型存储层(5)和位于N型层(5)上表面的P型阱区(6)，所述P型阱区(6)上层沿器件横向方向并列设置有N型发射极区(7)和P型体接触区(8)；所述N型发射极区(7)和P型体接触区(8)的共同引出端为发射极；
其特征在于，所述集电极结构包括P型集电极层(1)与多个阳极短路槽，P型集电极层(1)位于N型漂移区(4)的下表面；所述阳极短路槽沿器件横向方向间断分布，且阳极短路槽沿器件垂直方向贯穿P型集电极层(1)延伸入N型漂移区(4)中；所述P型集电极层(1)和阳极短路槽的共同引出端为集电极；所述阳极短路槽由第一导电材料(22)和第一绝缘介质(32)构成，第一导电材料(22)位于第一绝缘介质(32)之中。
2.根据权利要求1所述的一种具有阳极短路槽的RB-IGBT，其特征在于，所述栅极结构为沟槽栅，沟槽栅位于发射极结构的两侧；所述沟槽栅由第二导电材料(21)和第二绝缘介质(31)构成，第二绝缘介质(31)位于沟槽栅的侧壁和底部，第二导电材料(21)被第二绝缘介质(31)包围，所述第二导电材料(21)的引出端为栅极；所述沟槽栅从器件上表面沿垂直方向穿过P型阱区(6)与N型存储层(5)后与漂移区(4)接触，沟槽栅的侧面与N型层(5)、P型阱区(6)和N型发射极区(7)的侧面接触。
3.根据权利要求1所述的一种具有阳极短路槽的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(31)和位于第二绝缘介质(31)上表面的第二导电材料(21)构成；所述第二导电材料(21)的引出端为栅极；所述第二绝缘介质(31)与漂移区(4)上表面、N型存储层(5)、P型阱区表面(6)和部分N型发射极区(7)的上表面均接触。
4.根据权利要求2或3所述的一种具有阳极短路槽的RB-IGBT，其特征在于，阳极短路槽之间沿器件横向方向上等间距。
5.根据权利要求2或3所述的一种具有阳极短路槽的RB-IGBT，其特征在于，阳极短路槽之间沿器件横向方向上不等间距。
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