CN106783991B - 一种自驱动阳极辅助栅绝缘栅双极型晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自驱动阳极辅助栅绝缘栅双极型晶体管；所述自驱动阳极辅助栅绝缘栅双极型晶体管采用阳极自驱动辅助栅的设计结构，在保证器件较小的关断时间的前提下，可以消除器件导通时的负阻效应，提高器件的工作稳定性，获得更好的导通态损耗与关断态损耗之间的折衷关系；并且，所述阳极辅助栅结构采用自驱动设计，能够消除常规辅助栅极阳极结构对额外驱动电路的要求。
Description
技术领域
本发明涉及半导体电力电子器件技术领域中的电导调制型高压功率器件，具体是一种自驱动阳极辅助栅绝缘栅双极型晶体管。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(IGBT：LateralInsulatedGateBipolarTransistor)具有驱动简单，电流能力大，耐压能力高的优点，但是其关断速度远比双扩散金属-氧化物-半导体效应晶体管(DMOS，Double-diffusedMOSFET)的关断速度慢，导致其开关损耗较大，这影响了缘栅双极性晶体管在电力电子系统中的应用。
提高IGBT器件关断速度从而减小开关损耗的方法主要有三类：
一是降低漂移区内非平衡载流子的寿命，增加复合速率，以提高关断速度。事实上降低漂移区内非平衡载流子寿命的同时，其非平衡载流子总数也会减小，这将导致导通电阻增大，所以这种方法存在关断速度与导通电阻之间的折衷问题；
二是控制从阳极到漂移区的少数载流子注入水平，以达到导通电阻和关断时间的折衷；
三是在阳极区提供非平衡载流子抽出通道，在关断时迅速减少漂移区内非平衡载流子的总数，以提高器件的关断速度。非平衡载流子抽出通道的结构通常会影响少数载流子注入效率，即影响导通时漂移区内非平衡载流子总数，从而影响导通电阻。并且，在器件正向开启过程中，由于载流子从DMOS导通模式向IGBT导通模式的转换，导通过程中容易出现负阻效应。
针对通过在阳极区提供非平衡载流子抽出通道来提高IGBT器件关断速度的方法，现有技术中比较典型的器件结构包括如图1所示的常规阳极短路结构、如图2所示的阳极辅助栅、如图3所示的集成超势垒整流器阳极结构等。现有结构中要么器件正向导通能力弱，要么需要复杂的外部驱动电路，此外，导通态损耗和关断态损耗之间的折中关系也需要进一步优化。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中，器件正向导通能力弱，需要复杂的外部驱动电路等问题，获得优化的导通态损耗和关断态损耗之间的折中关系。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种自驱动阳极辅助栅绝缘栅双极型晶体管，其特征在于：包括阳极接触区、重掺杂第二导电类型阳极区、第一导电类型阳极缓冲区、第一导电类型漂移区、第二导电类型阴极阱区、重掺杂第一导电类型阴极区、重掺杂第二导电类型阴极区、阴极接触区、栅极介质层、栅极接触区、第二导电类型阳极阱区、重掺杂第一导电类型阳极区、阳极辅助栅介质层和阳极辅助栅接触区。
所述第一导电类型漂移区覆盖于第一导电类型阳极缓冲区之上。
所述第二导电类型阴极阱区覆盖于第一导电类型漂移区之上的部分表面。
所述重掺杂第一导电类型阴极区和重掺杂第二导电类型阴极区覆盖于第二导电类型阴极阱区之上的部分表面。
所述阴极接触区覆盖于重掺杂第二导电类型阴极区之上，所述阴极接触区还覆盖于重掺杂第一导电类型阴极区之上的部分表面。
所述栅极介质层覆盖于第二导电类型阴极阱区之上的部分表面，所述栅极介质层还覆盖于重掺杂第一导电类型阴极区之上的部分表面和第一导电类型漂移区之上的部分表面。
所述栅极接触区覆盖于栅极介质层之上。
所述重掺杂第二导电类型阳极区覆盖于第一导电类型阳极缓冲区之下的部分表面。
所述第二导电类型阳极阱区覆盖于第一导电类型阳极缓冲区之下的部分表面。
所述重掺杂第一导电类型阳极区覆盖于第二导电类型阳极阱区之下的部分表面。
所述阳极辅助栅介质层覆盖于第二导电类型阳极阱区之下的部分表面，所述阳极辅助栅介质层还覆盖于重掺杂第一导电类型阳极区之下的部分表面和第一导电类型阳极缓冲区之下的部分表面。
所述阳极辅助栅接触区覆盖于阳极辅助栅介质层之下。
所述阳极接触区覆盖于阳极辅助栅接触区之下，所述阳极接触区还覆盖于第二导电类型阳极区之下的部分表面和重掺杂第一导电类型阳极区之下的部分表面。
一种自驱动阳极辅助栅绝缘栅双极型晶体管，其特征在于：包括阳极接触区、重掺杂第二导电类型阳极区、第一导电类型阳极缓冲区、第一导电类型漂移区、第二导电类型阴极阱区、重掺杂第一导电类型阴极区、重掺杂第二导电类型阴极区、阴极接触区、栅极介质层、栅极接触区、第二导电类型阳极阱区、重掺杂第一导电类型阳极区和阳极辅助栅介质层。
所述第一导电类型漂移区覆盖于第一导电类型阳极缓冲区之上。
所述第二导电类型阴极阱区覆盖于第一导电类型漂移区之上的部分表面。
所述重掺杂第一导电类型阴极区和重掺杂第二导电类型阴极区覆盖于第二导电类型阴极阱区之上的部分表面。
所述阴极接触区覆盖于重掺杂第二导电类型阴极区之上，所述阴极接触区还覆盖于重掺杂第一导电类型阴极区之上的部分表面。
所述栅极介质层覆盖于第二导电类型阴极阱区之上的部分表面，所述栅极介质层还覆盖于重掺杂第一导电类型阴极区之上的部分表面和第一导电类型漂移区之上的部分表面。
所述栅极接触区覆盖于栅极介质层之上。
所述重掺杂第二导电类型阳极区覆盖于第一导电类型阳极缓冲区之下的部分表面。
所述第二导电类型阳极阱区覆盖于第一导电类型阳极缓冲区之下的部分表面。
所述重掺杂第一导电类型阳极区覆盖于第二导电类型阳极阱区之下的部分表面。
所述阳极辅助栅介质层覆盖于第二导电类型阳极阱区之下的部分表面，所述阳极辅助栅介质层还覆盖于重掺杂第一导电类型阳极区之下的部分表面和第一导电类型阳极缓冲区之下的部分表面。
所述阳极接触区覆盖于阳极辅助栅介质层之下，所述阳极接触区还覆盖于第二导电类型阳极区之下的部分表面和重掺杂第一导电类型阳极区之下的部分表面。
进一步，所述重掺杂第二导电类型阳极区和第二导电类型阳极阱区不接触。所述重掺杂第二导电类型阳极区和第二导电类型阳极阱区之间所占面积比例可以调节。
本发明中公开的新结构器件是通过在器件阳极部分增加自驱动辅助栅的设计来实现的，该器件设计方法属于上述提高IGBT器件关断速度方法中的第三类，即通过提供新颖的阳极区非平衡载流子抽出通道来减小关断过程的损耗、优化导通电阻和关断时间之间的约束关系，消除正向导通过程中的负阻效应，从而达到减小器件工作期间总损耗、提高器件工作稳定性的目的。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明具有以下优点：
1)所述自驱动阳极辅助栅绝缘栅双极型晶体管采用阳极自驱动辅助栅的设计结构；
2)与现有技术中的常规短路阳极IGBT器件、辅助栅极阳极IGBT器件、集成超势垒整流器阳极IGBT器件等相比，自驱动阳极辅助栅绝缘栅双极型晶体管在保证器件较小的关断时间的前提下，可以消除器件导通时的负阻效应，提高器件的工作稳定性，获得更好的导通态损耗与关断态损耗之间的折衷关系；并且，所述阳极辅助栅结构采用自驱动设计，能够消除常规辅助栅极阳极结构对额外驱动电路的要求。
附图说明
图1为现有技术中常规器件的结构示意图；
图2为现有技术中辅助栅阳极器件的结构示意图；
图3为现有技术中集成超势垒整流器阳极器件的结构示意图；
图4为本发明提供的IGBT器件的实施例1结构示意图；
图5为本发明提供的IGBT器件的实施例2结构示意图；
图中：阳极接触区1、重掺杂第二导电类型阳极区2、第一导电类型阳极缓冲区3、第一导电类型漂移区4、第二导电类型阴极阱区5、重掺杂第一导电类型阴极区6、重掺杂第二导电类型阴极区7、阴极接触区8、栅极介质层9、栅极接触区10、第二导电类型阳极阱区11、重掺杂第一导电类型阳极区12、阳极辅助栅介质层13和阳极辅助栅接触区14。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
选择第一导电类型为N型，第二导电类型为P型。
如图4所示，一种自驱动阳极辅助栅绝缘栅双极型晶体管，其特征在于：包括阳极接触区1、P+型阳极区2、N型阳极缓冲区3、N型漂移区4、P型阴极阱区5、N+型阴极区6、P+型阴极区7、阴极接触区8、栅极介质层9、栅极接触区10、P型阳极阱区11、N+型阳极区12、阳极辅助栅介质层13和阳极辅助栅接触区14。
所述N型漂移区4覆盖于N型阳极缓冲区3之上。
所述P型阴极阱区5覆盖于N型漂移区4之上的部分表面。
所述N+型阴极区6和P+型阴极区7覆盖于P型阴极阱区5之上的部分表面。
所述阴极接触区8覆盖于P+型阴极区7之上，所述阴极接触区8还覆盖于N+型阴极区6之上的部分表面。
所述栅极介质层9覆盖于P型阴极阱区5之上的部分表面，所述栅极介质层9还覆盖于N+型阴极区6之上的部分表面和N型漂移区4之上的部分表面。
所述栅极接触区10覆盖于栅极介质层9之上。
所述P+型阳极区2覆盖于N型阳极缓冲区3之下的部分表面。
所述P型阳极阱区11覆盖于N型阳极缓冲区3之下的部分表面。
所述N+型阳极区12覆盖于P型阳极阱区11之下的部分表面。
所述阳极辅助栅介质层13覆盖于P型阳极阱区11之下的部分表面，所述阳极辅助栅介质层13还覆盖于N+型阳极区12之下的部分表面和N型阳极缓冲区3之下的部分表面。
所述阳极辅助栅接触区14覆盖于阳极辅助栅介质层13之下。所述阳极接触区1覆盖于阳极辅助栅接触区14之下，所述阳极接触区1还覆盖于第二导电类型阳极区2之下的部分表面和N+型阳极区12之下的部分表面。
本实施例给出的自驱动阳极辅助栅绝缘栅双极型晶体管，在保证器件较小的关断时间的前提下，可以消除器件导通时的负阻效应，提高器件的工作稳定性，获得更好的导通态损耗与关断态损耗之间的折衷关系；并且，所述阳极辅助栅结构采用自驱动设计，能够消除常规辅助栅极阳极结构对额外驱动电路的要求。
实施例2：
选择第一导电类型为N型，第二导电类型为P型。
如图5所示，一种自驱动阳极辅助栅绝缘栅双极型晶体管，其特征在于：包括阳极接触区1、P+型阳极区2、N型阳极缓冲区3、N型漂移区4、P型阴极阱区5、N+型阴极区6、P+型阴极区7、阴极接触区8、栅极介质层9、栅极接触区10、P型阳极阱区11、N+型阳极区12和阳极辅助栅介质层13。
所述N型漂移区4覆盖于N型阳极缓冲区3之上。
所述P型阴极阱区5覆盖于N型漂移区4之上的部分表面。
所述N+型阴极区6和P+型阴极区7覆盖于P型阴极阱区5之上的部分表面。
所述阴极接触区8覆盖于P+型阴极区7之上，所述阴极接触区8还覆盖于N+型阴极区6之上的部分表面。
所述栅极介质层9覆盖于P型阴极阱区5之上的部分表面，所述栅极介质层9还覆盖于N+型阴极区6之上的部分表面和N型漂移区4之上的部分表面。
所述栅极接触区10覆盖于栅极介质层9之上。
所述P+型阳极区2覆盖于N型阳极缓冲区3之下的部分表面。
所述P型阳极阱区11覆盖于N型阳极缓冲区3之下的部分表面。所述P+型阳极区2和P型阳极阱区11不接触。
所述N+型阳极区12覆盖于P型阳极阱区11之下的部分表面。
所述阳极辅助栅介质层13覆盖于P型阳极阱区11之下的部分表面，所述阳极辅助栅介质层13还覆盖于N+型阳极区12之下的部分表面和N型阳极缓冲区3之下的部分表面。
所述阳极接触区1覆盖于阳极辅助栅介质层13之下，所述阳极接触区1还覆盖于第二导电类型阳极区2之下的部分表面和N+型阳极区12之下的部分表面。
本实施例给出的自驱动阳极辅助栅绝缘栅双极型晶体管，在保证器件较小的关断时间的前提下，可以消除器件导通时的负阻效应，提高器件的工作稳定性，获得更好的导通态损耗与关断态损耗之间的折衷关系；并且，所述阳极辅助栅结构采用自驱动设计，能够消除常规辅助栅极阳极结构对额外驱动电路的要求。
Claims (2)
1.一种自驱动阳极辅助栅绝缘栅双极型晶体管，其特征在于：包括阳极接触区(1)、重掺杂第二导电类型阳极区(2)、第一导电类型阳极缓冲区(3)、第一导电类型漂移区(4)、第二导电类型阴极阱区(5)、重掺杂第一导电类型阴极区(6)、重掺杂第二导电类型阴极区(7)、阴极接触区(8)、栅极介质层(9)、栅极接触区(10)、第二导电类型阳极阱区(11)、重掺杂第一导电类型阳极区(12)、阳极辅助栅介质层(13)和阳极辅助栅接触区(14)；
所述第一导电类型漂移区(4)覆盖于第一导电类型阳极缓冲区(3)之上；
所述第二导电类型阴极阱区(5)覆盖于第一导电类型漂移区(4)之上的部分表面；
所述重掺杂第一导电类型阴极区(6)和重掺杂第二导电类型阴极区(7)覆盖于第二导电类型阴极阱区(5)之上的部分表面；
所述阴极接触区(8)覆盖于重掺杂第二导电类型阴极区(7)之上，所述阴极接触区(8)还覆盖于重掺杂第一导电类型阴极区(6)之上的部分表面；
所述栅极介质层(9)覆盖于第二导电类型阴极阱区(5)之上的部分表面，所述栅极介质层(9)还覆盖于重掺杂第一导电类型阴极区(6)之上的部分表面和第一导电类型漂移区(4)之上的部分表面；
所述栅极接触区(10)覆盖于栅极介质层(9)之上；
所述重掺杂第二导电类型阳极区(2)覆盖于第一导电类型阳极缓冲区(3)之下的部分表面；
所述重掺杂第二导电类型阳极区(2)和第二导电类型阳极阱区(11)不接触；
所述第二导电类型阳极阱区(11)覆盖于第一导电类型阳极缓冲区(3)之下的部分表面；
所述重掺杂第一导电类型阳极区(12)覆盖于第二导电类型阳极阱区(11)之下的部分表面；
所述阳极辅助栅介质层(13)覆盖于第二导电类型阳极阱区(11)之下的部分表面，所述阳极辅助栅介质层(13)还覆盖于重掺杂第一导电类型阳极区(12)之下的部分表面和第一导电类型阳极缓冲区(3)之下的部分表面；
所述阳极辅助栅接触区(14)覆盖于阳极辅助栅介质层(13)之下；
所述阳极接触区(1)覆盖于阳极辅助栅接触区(14)之下，所述阳极接触区(1)还覆盖于第二导电类型阳极区(2)之下的部分表面和重掺杂第一导电类型阳极区(12)之下的部分表面；
所述阳极接触区(1)和第二导电类型阳极阱区(11)不接触。
2.一种自驱动阳极辅助栅绝缘栅双极型晶体管，其特征在于：包括阳极接触区(1)、重掺杂第二导电类型阳极区(2)、第一导电类型阳极缓冲区(3)、第一导电类型漂移区(4)、第二导电类型阴极阱区(5)、重掺杂第一导电类型阴极区(6)、重掺杂第二导电类型阴极区(7)、阴极接触区(8)、栅极介质层(9)、栅极接触区(10)、第二导电类型阳极阱区(11)、重掺杂第一导电类型阳极区(12)和阳极辅助栅介质层(13)；
所述第一导电类型漂移区(4)覆盖于第一导电类型阳极缓冲区(3)之上；
所述第二导电类型阴极阱区(5)覆盖于第一导电类型漂移区(4)之上的部分表面；
所述重掺杂第一导电类型阴极区(6)和重掺杂第二导电类型阴极区(7)覆盖于第二导电类型阴极阱区(5)之上的部分表面；
所述阴极接触区(8)覆盖于重掺杂第二导电类型阴极区(7)之上，所述阴极接触区(8)还覆盖于重掺杂第一导电类型阴极区(6)之上的部分表面；
所述栅极介质层(9)覆盖于第二导电类型阴极阱区(5)之上的部分表面，所述栅极介质层(9)还覆盖于重掺杂第一导电类型阴极区(6)之上的部分表面和第一导电类型漂移区(4)之上的部分表面；
所述栅极接触区(10)覆盖于栅极介质层(9)之上；
所述重掺杂第二导电类型阳极区(2)覆盖于第一导电类型阳极缓冲区(3)之下的部分表面；
所述重掺杂第二导电类型阳极区(2)和第二导电类型阳极阱区(11)不接触；
所述第二导电类型阳极阱区(11)覆盖于第一导电类型阳极缓冲区(3)之下的部分表面；
所述重掺杂第一导电类型阳极区(12)覆盖于第二导电类型阳极阱区(11)之下的部分表面；
所述阳极辅助栅介质层(13)覆盖于第二导电类型阳极阱区(11)之下的部分表面，所述阳极辅助栅介质层(13)还覆盖于重掺杂第一导电类型阳极区(12)之下的部分表面和第一导电类型阳极缓冲区(3)之下的部分表面；
所述阳极接触区(1)覆盖于阳极辅助栅介质层(13)之下，所述阳极接触区(1)还覆盖于第二导电类型阳极区(2)之下的部分表面和重掺杂第一导电类型阳极区(12)之下的部分表面；
所述阳极接触区(1)和第二导电类型阳极阱区(11)不接触。
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| An Investigation of a Novel Snapback-Free Reverse-Conducting IGBT and With Dual Gates;Liheng Zhu et al;《IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES》;20121130;第59卷(第11期);第3048页第1段-3052页最后1段，附图1 * |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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