CN108767006A - 一种集成电压采样功能的igbt器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种集成电压采样功能的IGBT器件，属于功率半导体器件技术领域。本发明在体区引入JFET结构的沟道处于常关状态，器件正向导通状态下，体区存储载流子，增强电导调制作用，降低了器件的饱和导通压降；器件关断状态下，体区起到浮空场限环作用，减弱了槽栅底部的电场聚集现象，提高器件的耐压可靠性；本发明所引入JFET结构的栅极和源极分别与外围控制电路和采样端口相连，利用JFET结构源极电压变化与IGBT耐压之间的映射关系即可实现电压采样功能，在达到电气隔离效果的同时也不会损害器件正向阻断特性；通过改变JFET结构的栅极偏置电压，实现电压采样比的调整，用以满足不同应用条件对电压采样的要求。本发明采样结构简单，与现有工艺兼容。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体器件技术领域，具体涉及一种集成电压采样功能的IGBT器件。
背景技术
随着高速铁路、新能源汽车等交通工具迅速发展，绝缘栅双极晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor，IGBT)由于栅极控制简单、电流密度大、导通压降低等优点，已成为电力电子应用中的主流功率开关器件之一。为满足实际应用中大功率或超大功率的要求，IGBT器件通常采用模块封装形式。而在实际应用中，芯片两端通常发生过电压情况，使得器件的阻断能力受到雪崩击穿的限制，而IGBT的雪崩耐量参数直接表征器件抗雪崩能力。发生过电压情况时，外部电路电压会高于器件的正向阻断电压，器件发生雪崩击穿，若此时泄漏电流过大，则直接导致IGBT器件发生热烧毁。而器件由于过电压引发的损坏通常位于器件最高电场位置，比如器件元胞和终端之间的过渡区，因此，过压保护技术已成为保证IGBT应用可靠性的重要技术。
电压采样技术是IGBT过压保护技术的重要环节。对于低压范围内的电压采样技术，可通过传输门、电阻分压等方案解决；而对于中、高压功率器件的电压采样，则需要用到霍尔电压传感器等元件来实现被采样高压电路和低压控制电路之间的电气隔离，并将强电成比例的映射到弱电信号。现有的电压采样技术是在整个采样系统通常结合数字信号处理算法及控制理论，用以提高采样的精度和准确性。虽然该方案有较高的精度，但是在采样过程有带宽限制，同时还存在传感器失真、接地回路干扰等难题尚未克服。现目前电压采样技术按照信号采集方式可分为共模信号采样和差模信号采样。共模信号采样的精度较低，差模信号采样诸如继电器切换提取电压、V/F转换无触点采样提取电压、浮动地技术测量电池端电压等，存在着硬件复杂、成本高的缺点。同时现有的电压采样电路，需要在测量精度、参数匹配、采样电路复杂程度、延迟时间、成本等方面做权衡，这就需要一种采样结构简单、精度高，采样元件自身能实现电气隔离，同时不对被采样高压器件基本参数造成影响的电压采样技术。
JFET结构作为功率半导体中的基本器件结构，其本质上是一种电压控制电阻器，能够避免MOS结构中氧化物-半导体界面有关的问题。对于更高击穿电压和功率容量的器件结构，JFET结构的鲁棒性更强。同时，JFET结构因为工作时只有多数载流子参与，且载流子传输的沟道位于体内，没有表面和界面散射，从而具有低噪声的特点。基于以上特点，JFET结构已经在功率器件的电压采样技术中应用。图1为传统IGBT器件电压采样结构的示意图，此种电压采样结构与IGBT元胞结构之间还需要“Gate Runner”做隔离，对IGBT电流传导并不起作用，而且还需要额外占用芯片面积；同时随着采样电压等级的提高，电压采样端口采集得到的电压值会随之快速上升，电压采样结构的电气隔离作用相应减弱，而且采样电压与IGBT端电压映射关系也随之减弱，导致采样精度大幅度下降。另外，传统电压采样结构在器件尺寸确定的情况下，无法实现电压采样比的调节，受到高压应用电路电压等级的限制。
发明内容
鉴于上文所述，本发明针对IGBT电压采样技术中存在的问题，提供一种集成电压采样功能的IGBT器件，通过在体区中引入与器件内部三极管串联的JFET结构，并且将JFET结构的栅极和JFET结构的源极分别与外围控制电路和采样端口相连，利用JFET结构源极电压变化与IGBT耐压之间的映射关系，实现电压采样功能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种集成电压采样功能的IGBT器件，其元胞结构包括：自下而上依次层叠的金属集电极7、第一导电类型半导体集电区6、第二导电类型半导体缓冲层5和第二导电类型半导体漂移区4；其特征在于：所述第二导电类型半导体漂移区4的顶层中间区域具有第一导电类型半导体体区8，所述第一导电类型半导体体区8的两侧分别具有第一导电类型半导体基区2，所述第一导电类型半导体基区2的顶层具有并列设置且相互接触的第二导电类型半导体发射区1和第一导电类型半导体接触区14，所述第二导电类型半导体发射区1和第一导电类型半导体接触区14的上表面具有金属发射极15；第一导电类型半导体基区2、第二导电类型半导体发射区1和第一导电类型半导体接触区14与第一导电类型半导体体区8之间具有栅极结构，所述栅极结构包括栅电极13和栅介质层3，栅介质层3沿器件垂直方向延伸进入第二导电类型半导体漂移区4中形成沟槽，所述栅电极13设置在沟槽中；所述栅介质层3的一侧与第一导电类型半导体基区2、第二导电类型半导体发射区1和第二导电类型半导体漂移区4接触，所述栅介质层3的另一侧与第一导电类型半导体体区8通过第二导电类型半导体漂移区4相隔离；所述第一导电类型半导体体区8中具有第一导电类型半导体阱区9、第二导电类型半导体区10和第一导电类型半导体源极区11形成的JFET结构；所述第一导电类型半导体阱区9作为沟道区设置在第一导电类型半导体区8的顶层，所述第二导电类型半导体区10作为栅极对称设置在所述第一导电类型半导体阱区9的顶层两侧，所述第一导电类型半导体源极区11作为源极设置在对称的第二导电类型半导体区10之间；第二导电类型半导体区10和第一导电类型半导体源极区11的上表面分别与控制栅电极17、电压采样电极16相接触；器件表面具有隔离介质层12分别将金属发射极15、控制栅电极17、电压采样电极16电学隔离。
进一步地，本发明中JFET结构在所述第一导电类型半导体体区8中的位置在器件正向阻断时的中性区范围内。
进一步地，本发明中第一导电类型半导体体区8的结深大于栅极结构的深度。
进一步地，本发明中第一导电类型半导体阱区9的顶层两侧的第二导电类型半导体区10之间的距离小于器件通态条件下JFET结构产生耗尽区的宽度。
进一步地，本发明中第一导电类型半导体阱区9和第二导电类型半导体区10形成的PN结在工作电压范围内不会发生雪崩击穿。
进一步地，本发明中第一导电类型半导体或者第二导电类型半导体的材料为单晶硅、碳化硅或者氮化镓。
进一步地，本发明中第一导电类型半导体为P型半导体，第二导电类型半导体为N型半导体。
进一步地，本发明中第一导电类型半导体为N型半导体，第二导电类型半导体为P型半导体。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过在器件的体区中引入同型阱区，并于同型阱区中形成栅极和源极，从而形成与器件内部三极管串联的JFET结构；JFET结构的栅极和源极分别与外围控制电路和采样端口相连，利用JFET结构源极电压变化与IGBT耐压之间的映射关系即可实现电压采样功能。此外，通过调节JFET结构的栅极偏置电压，依据JFET输出特性即可改变JFET结构的工作区，能够实现采样比的调整，因此可满足不同应用条件下的电压采样要求。本发明采样结构简单，集成度高，使用灵活可控，适用范围广，制作工艺与现有工艺兼容。
(2)本发明将JFET沟道设置在与器件体区同型的阱区中，由于阱区四周被体区包围使得JFET沟道区的掺杂浓度设计窗口增大，在达到采样结构的电气隔离效果的同时也不会对IGBT器件的正向阻断特性造成影响。
(3)本发明器件结构上体区与栅极结构之间没有直接相连，而是通过漂移区隔离，这样减轻了正向导通时空穴积累产生电压变化，进而抑制了开关过程中其通过栅极电容产生的位移电流对栅极驱动的影响。
(4)本发明器件结构在体区引入的JFET结构，其沟道处于常关状态，在器件正向导通状态下，体区能够存储载流子，增强电导调制作用，进而降低了器件的饱和导通压降。
(5)本发明器件结构在体区引入的JFET结构，并使得体区的结深大于栅极结构的深度，这样在器件关断状态下，体区能够起到浮空场限环作用，有利于缓解槽栅底部的电场聚集现象，提高器件的耐压可靠性。
附图说明
图1是传统IGBT器件电压采样结构的示意图。
图2是本发明实施例提供的一种集成电压采样功能的IGBT器件结构的示意图。
图3是本发明实施例提供的集成电压采样功能的IGBT器件的等效电路图。
图4是本发明实施例提供的集成电压采样功能的IGBT器件在不同栅压下采样电压随Vce电压的变化曲线。
图5是本发明实施例提供的集成电压采样功能的IGBT器件在相同栅压，不同Vce下采样电压的变化曲线。
图中：1为第二导电类型半导体发射区，2为第一导电类型半导体基区，3为栅介质层，4为第二导电类型半导体漂移区，5为第二导电类型半导体缓冲层，6为第一导电类型半导体集电区，7为金属集电极，8为第一导电类型半导体体区，9为第一导电类型半导体阱区，10为第二导电类型半导体区，11为第一导电类型半导体源极区，12为隔离介质层，13为栅电极，14为第一导电类型半导体接触区，15为金属发射极，16为电压采样电极，17为控制栅电极。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细、清楚的阐述：
图1为传统IGBT器件电压采样结构的示意图，此种电压采样结构与IGBT元胞结构之间还需要“Gate Runner”做隔离，对IGBT电流传导并不起作用，而且还需要额外占用芯片面积；同时随着采样电压等级的提高，电压采样端口采集得到的电压值会随之快速上升，电压采样结构的电气隔离作用相应减弱，而且采样电压与IGBT端电压映射关系也随之减弱，导致采样精度大幅度下降。另外，传统电压采样结构在器件尺寸确定的情况下，无法实现电压采样比的调节，受到高压应用电路电压等级的限制。
本发明为克服上述不足，提供了集成电压采用功能的IGBT器件的一种具体实施例，器件结构如图2所示，其元胞结构包括：自下而上依次层叠的金属集电极7、第一导电类型半导体集电区6、第二导电类型半导体缓冲层5和第二导电类型半导体漂移区4；其特征在于：所述第二导电类型半导体漂移区4的顶层中间区域具有第一导电类型半导体体区8，所述第一导电类型半导体体区8的两侧分别具有第一导电类型半导体基区2，所述第一导电类型半导体基区2的顶层具有并列设置且相互接触的第二导电类型半导体发射区1和第一导电类型半导体接触区14，所述第二导电类型半导体发射区1和第一导电类型半导体接触区14的上表面具有金属发射极15；第一导电类型半导体基区2、第二导电类型半导体发射区1和第一导电类型半导体接触区14与第一导电类型半导体体区8之间具有栅极结构，所述栅极结构包括栅电极13和栅介质层3，栅介质层3沿器件垂直方向延伸进入第二导电类型半导体漂移区4中形成沟槽，所述栅电极13设置在沟槽中；所述栅极结构的深度小于第一导电类型半导体体区8的结深；所述栅介质层3的一侧与第一导电类型半导体基区2、第二导电类型半导体发射区1和第二导电类型半导体漂移区4接触，所述栅介质层3的另一侧与第一导电类型半导体体区8通过第二导电类型半导体漂移区4相隔离；所述第一导电类型半导体体区8中具有第一导电类型半导体阱区9、第二导电类型半导体区10和第一导电类型半导体源极区11形成的JFET结构；所述第一导电类型半导体阱区9作为沟道区设置在第一导电类型半导体区8的顶层，所述第二导电类型半导体区10作为栅极对称设置在所述第一导电类型半导体阱区9的顶层两侧，所述第一导电类型半导体源极区11作为源极设置在对称的第二导电类型半导体区10之间；第二导电类型半导体区10和第一导电类型半导体源极区11的上表面分别与控制栅电极17、电压采样电极16相接触；器件表面具有隔离介质层12分别将金属发射极15、控制栅电极17、电压采样电极16电学隔离。
本领域技术人员公知的是，上述技术方案中第一导电半导体类型为P型半导体而第二导电类型半导体类型为N型半导体时，本发明提供的器件为N沟道IGBT器件；上述技术方案中第一导电类型半导体为N型半导体时而第二导电类型半导体为P型半导体时，本发明提供的器件为P沟道IGBT器件。下面具体以N沟道高压IGBT器件为例，详细说明本发明提供的IGBT的工作原理：
图3为本发明实施例提出器件结构的等效电路图，其中Vsensor和GJFET分别为采样JFET结构的电压采样端和控制栅极；在电压采样时，GJFET接地或外接独立电源，要求GJFET所接固定栅压能将JFET沟道区夹断；在满足沟道夹断基础上，通过调节GJFET所接固定正电位的大小，实现JFET电压采样端Vsensor电压值对IGBT耐压映射关系的调整，即改变采样比以更好地满足不同应用电路的采样要求。
固定GJFET上所接栅极电压，此时JFET沟道发生夹断。当IGBT器件处于导通态时，因为JFET沟道夹断，从背部的金属集电极7注入的空穴将会在P+体区8中存储，不会通过电压采样电极泄放，从而增强了N-漂移区4的电导调制作用，有利于降低导通压降；当IGBT器件处于关断状态时，因为P+体区8的结深比IGBT器件栅极结构(即槽栅)的深度更深，此时P+体区8和N-漂移区4能够形成耗尽区，用以减弱关态时槽栅底部的电场聚集现象，JFET结构外围的P+体区8起到浮空场限环的作用，保证了槽栅型高压IGBT正向耐压的可靠性。
IGBT器件开启时，IGBT两端电压下降，器件因为过电压失效的概率很低。而在IGBT器件关断过程中，因为IGBT感性负载的原因，会在IGBT两端产生正向的电压过冲，瞬时的过冲电压极易超过IGBT最大耐压值而造成器件损坏。本发明所引入的JFET结构，由于在作为栅极的N+区10上施加固定高电压，会使得P-阱区9(即沟道区)中形成多子势垒，该势垒阻碍了空穴从P-阱区9运输到作为JFET结构源极的P+源极区11，即电压采样端；该势垒的高低受到栅极电压和沟道电压的共同调制，因此，在IGBT器件关断时，随着IGBT两端电压变化，JFET结构所在P+体区8的电势会发生变化，进而影响JFET的沟道势垒，而通过电压采样端口可得到这种映射关系，达到实时电压采样的目的。结构上P+体区8与IGBT的栅极结构之间没有直接相连而是通过N-漂移区4相隔离，这样减轻了正向导通时空穴积累产生电压变化，进而抑制了开关过程中其通过栅极电容产生的位移电流对栅极驱动的影响。
为了验证本发明提出IGBGT器件所具有的电压采样功能，本实施例利用Medici器件仿真软件对3300V槽栅型IGBT关断过程中的电压变化进行采样。
器件面积设为105μm2，JFET的源极(P+源极区11)即电压采样端串联12Ω电阻，在保证正常静态参数的基础上，得到仿真结果如图4、图5所示。
图4为JFET栅极电压分别为10V和12V，IGBT器件两端电压Vce为1800V，器件关断时电压采样端电压Vsensor随Vce的变化趋势，从图4中可看出，关断时Vce电压最大时，Vsensor电压也达到最大值；栅压为12V时的Vsensor电压平台时间明显小于10V情况。图5为GJFET栅压为10V时，Vce分别为1800V和2500V时，采样电压Vsensor的变化曲线，从图5中可明显看出，Vce电压越大，Vsensor电压平台时间越长。
从上述仿真结果可以发现，在保证JFET沟道发生夹断的前提下，JFET栅极电压越小，在JFET沟道区产生的势垒越小，电压采样越灵敏，对于不同Vce电压，Vsensor电压平台长短存在明显差异，可进一步通过积分器对采样电压进行处理。
以N沟道器件为例，从上述内容可看出：与目前传统电压采样结构相比，本发明提供的一种集成电压采样功能的IGBT器件，在IGBT器件的P+体区8中引入JFET结构的沟道处于常关状态，使得P+体区8在器件正向导通时存储空穴，增强电导调制，降低了IGBT饱和导通压降；关断状态下使得P+体区8起到浮空场限环作用，减弱了IGBT槽栅底部电场聚集现象，提高器件耐压可靠性。通过改变JFET结构的栅极偏置电压，就可以实现电压采样比的调整，从而满足不同应用条件对电压采样的要求；本发明所引入的JFET结构在达到电气隔离效果的同时不会对IGBT器件的正向阻断特性造成影响。
需要特别说明的是，本发明中关于集成电压采样功能的IGBT器件，不仅适用于目前普遍应用的3300V～6500V的高压范围载流子增强型IGBT器件，同样适用于基于平面栅和槽栅型的中压范围的载流子增强型IGBT器件。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种集成电压采样功能的IGBT器件，其元胞结构包括：自下而上依次层叠的金属集电极(7)、第一导电类型半导体集电区(6)、第二导电类型半导体缓冲层(5)和第二导电类型半导体漂移区(4)；其特征在于：所述第二导电类型半导体漂移区(4)的顶层中间区域具有第一导电类型半导体体区(8)，所述第一导电类型半导体体区(8)的两侧分别具有第一导电类型半导体基区(2)，所述第一导电类型半导体基区(2)的顶层具有并列设置且相互接触的第二导电类型半导体发射区(1)和第一导电类型半导体接触区(14)，所述第二导电类型半导体发射区(1)和第一导电类型半导体接触区(14)的上表面具有金属发射极(15)；第一导电类型半导体基区(2)、第二导电类型半导体发射区(1)和第一导电类型半导体接触区(14)与第一导电类型半导体体区(8)之间具有栅极结构，所述栅极结构包括栅电极(13)和栅介质层(3)，栅介质层(3)沿器件垂直方向延伸进入第二导电类型半导体漂移区(4)中形成沟槽，所述栅电极(13)设置在沟槽中；所述栅介质层(3)的一侧与第一导电类型半导体基区(2)、第二导电类型半导体发射区(1)和第二导电类型半导体漂移区(4)接触，所述栅介质层(3)的另一侧与第一导电类型半导体体区(8)通过第二导电类型半导体漂移区(4)相隔离；所述第一导电类型半导体体区(8)中具有第一导电类型半导体阱区(9)、第二导电类型半导体区(10)和第一导电类型半导体源极区(11)形成的JFET结构；所述第一导电类型半导体阱区(9)作为沟道区设置在第一导电类型半导体区(8)的顶层，所述第二导电类型半导体区(10)作为栅极对称设置在所述第一导电类型半导体阱区(9)的顶层两侧，所述第一导电类型半导体源极区(11)作为源极设置在对称的第二导电类型半导体区(10)之间；第二导电类型半导体区(10)和第一导电类型半导体源极区(11)的上表面分别与控制栅电极(17)、电压采样电极(16)相接触；器件表面具有隔离介质层(12)分别将金属发射极(15)、控制栅电极(17)、电压采样电极(16)电学隔离。
2.根据权利要求1所述的一种集成电压采样功能的IGBT器件，其特征在于：所述第一导电类型半导体体区(8)的结深大于所述栅极结构的深度。
3.根据权利要求1所述的一种集成电压采样功能的IGBT器件，其特征在于：所述第一导电类型半导体阱区(9)的顶层两侧的第二导电类型半导体区(10)之间的距离小于器件通态条件下JFET结构产生耗尽区的宽度。
4.根据权利要求1所述的一种集成电压采样功能的IGBT器件，其特征在于：器件所用半导体的材料为单晶硅、碳化硅或者氮化镓。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种集成电压采样功能的IGBT器件，其特征在于：所述第一导电类型半导体为P型半导体，所述第一导电类型半导体为N型半导体。
6.根据权利要求1至4任一项所述的一种集成电压采样功能的IGBT器件，其特征在于：所述第一导电类型半导体为N型半导体，所述第一导电类型半导体为P型半导体。
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