CN109449202A - 一种逆导双极型晶体管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种逆导双极型晶体管，属于半导体器件技术领域，本发明相比于传统逆导IGBT结构，在集电极侧设置了集电极侧部分超结结构和集电极短路沟槽结构，同时移除了N‑缓冲层结构。在反向导通状态下，集电极侧部分超结的横向耗尽使得P‑柱发生穿通效应，触发NPNP晶闸管开启以实现逆导。在正向导通下，集电极侧部分超结横向扩散形成电势势垒层、集电极短路沟槽结构作为介质阻挡层，二者共同作用使得电子存储在P‑集电区/N‑柱结附近，直至该PN结导通，极大抑制了snapback现象。同时，本发明有效地利用了P‑集电区的面积，获得了导通压降的降低。本发明的有益效果为，在不明显影响器件其他性能的前提下，有效地抑制了snapback现象，且获得了低功率损耗。

Description

一种逆导双极型晶体管
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种逆导双极型晶体管(Reverse-Conducting Trench Insulated Gate Bipolar Transisitor，简称：RC-IGBT)。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称：IGBT)是一种MOS场效应管和双极型晶体管复合的新型电子电力器件。它既有MOSFET易于驱动、控制简单的优点，又有双极型晶体管导通电阻小，通态电流大，功率损耗小的特点。在中高压电力电子领域中展现出优越的性能而得到广泛的应用。在电子电力系统中，IGBT通常需要搭配续流二极管(Free Wheeling Diode)使用以确保系统的安全稳定。然而，反并联续流二极管不仅增加成本，而且在容易在封装过程中引入寄生效应，影响器件的可靠性。
为解决这个问题，实现产品的整体化，文献(Takahashi,Yamamoto,Aono,Minato.1200V Reverse Conducting IGBT.Proceedings of 2004InternationalSymposium on Power Semiconductor Device&ICs,2004,pp.24-27)提出了逆导型IGBT(Reverse-Conducting IGBT)，成功地将续流二极管集成在IGBT内部。其结构如图1所示，相比于传统无逆导能力的IGBT，其特点是在集电极侧制作了N+短路区，该区域与器件中的P-基区和N漂移区形成寄生PiN二极管，在反向导通模式下该二极管导通电流。然而，N+短路区使得器件在正向导通模式下出现电压回跳(snapback)的现象，这会导致器件开启不均匀，电流集中现象，严重影响电子电力器件的稳定性。同时，IGBT作为一种功率器件，其功率损耗的降低也是一项重要的研究方向。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足。提供一种一种逆导双极型晶体管，在不明显影响器件其他性能的同时抑制电压回跳的现象，同时降低功率损耗。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一种逆导双极型晶体管，包括多个元胞结构，每个元胞结构包括N-漂移区、位于N-漂移区下方的集电极侧部分超结结构、位于集电极侧部分超结结构下方的集电极结构以及位于N-漂移区上方的栅极结构和发射极结构；
所述的集电极侧部分超结结构由水平方向交替排列的N-柱和P-柱构成；所述的集电极结构包括P-集电区、N+短路区、金属化集电极和集电极短路沟槽结构；所述的P-集电区、N+短路区和集电极短路沟槽结构并列与金属化集电极的上表面；
所述的集电极短路沟槽结构包括沟槽氧化层和多晶硅导电填充物，所述的集电极短路沟槽结构沿垂直方向插入P-集电区和N+短路区、N-柱和P-柱之间；所述的多晶硅导电填充物与金属化集电极短接；
所述的栅极结构为沟槽栅，包括栅氧化层，多晶硅栅电极填充物和金属化栅电极，所述的金属化栅电极位于多晶硅栅电极填充物的上表面；所述的发射极结构位于相邻两个沟槽栅之间，包括P-基区、N+发射区、P+区和金属化发射极；所述的N+发射区位于发射极结构上表面的两端，N+发射区与栅氧化层，P-基区相连；所述的P+区位于两个N+发射区之间；所述的金属化发射极位于N+发射区与P+区的上表面。
作为优选的技术方案，所述的N-柱位于P-集电区上方，且位于N-漂移区下方。
作为优选的技术方案，所述的P-柱位于N+短路区上方，且位于N-漂移区下方。
作为优选的技术方案，所述的集电极短路沟槽结构沿垂直方向插入N+短路区和P-集电区、N-柱和P-柱之间。
作为优选的技术方案，所述元胞结构不具有N-缓冲层结构。
作为优选的技术方案，所述的导电填充物为多晶硅或金属。
作为优选的技术方案，该逆导双极型晶体管的半导体材料采用Si、SiC、GaAs或GaN。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
有效地抑制snapback的现象，在较短的背面P-集电区就可以消除snapback现象，同时具有更低的功率损耗
附图说明
图1是传统逆导IGBT的元胞示意图；
图2是本发明的逆导IGBT的元胞示意图；
图3(a)、图3(b)、图3(c)分别是本发明的逆导IGBT三种静态工作下的原理示意图；
图4是传统逆导IGBT与本发明提供的逆导IGBT的耐压电压比较图；
图5是传统逆导IGBT与本发明提供的逆导IGBT的雪崩能量比较图；
图6是传统逆导IGBT与本发明提供的逆导IGBT的IV特性比较图；
图7是传统逆导IGBT与本发明提供的逆导IGBT的功耗折中关系比较图；
图8是传统逆导IGBT与本发明提供的逆导IGBT的反向恢复特性比较图。
附图标号说明：1-金属化集电极；2-P-集电区；3-N+短路区；4-沟槽氧化层；5-多晶硅导电填充物；6-N-柱；7-P-柱；8-N-漂移区；9-栅氧化层；10-P-基区；11-多晶硅栅电极填充物；12-金属化栅电极；13-N+发射区；14-P+区；15-金属化发射极。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图2所示，本实施例的逆导双极型晶体管，包含多个元胞结构，每个元胞结构包括N-漂移区8，位于N-漂移区8下方的集电极侧部分超结结构，位于集电极侧部分超结结构下方的集电极结构，位于N-漂移区8上方的栅极结构和发射极结构；所述的集电极侧部分超结由水平方向交替排列的N-柱6和P-柱7构成；所述的集电极结构包括P-集电区2，N+短路区3，金属化集电极1和集电极短路沟槽结构；所述的P-集电区2，N+短路区3和集电极短路沟槽结构并列与金属化集电极1的上表面；所述的集电极短路沟槽结构包括沟槽氧化层4和多晶硅导电填充物5，所述的集电极短路沟槽结构沿垂直方向插入P-集电区2和N+短路区3、N-柱6和P-柱7之间；所述的多晶硅导电填充物5与金属化集电极1短接；所述的栅极结构为沟槽栅，包括栅氧化层9，多晶硅栅电极填充物11和金属化栅电极12，所述的金属化栅电极12位于多晶硅栅电极填充物11的上方；所述的发射极结构位于相邻两个沟槽栅之间，包括P-基区10，N+发射区13,P+区14和金属化发射极15；所述的N+发射区位于发射极结构上表面的两端，N+发射区与栅氧化层9，P-基区10相连；所述的P+区位于两个N+发射区之间；所述的金属化发射极15位于N+发射区与P+区的上表面；其特征在于：所述的N-柱6位于P-集电区2上方，位于N-漂移区8下方；所述的P-柱7位于N+短路区3的上方，位于N-漂移区8下方；所述的集电极短路沟槽栅沿垂直方向插入N+短路区3和P-集电区2、N-柱6和P-柱7之间；所述的器件没有N-缓冲层结构。
所述逆导型IGBT器件的半导体材料采用Si、SiC、GaAs和GaN；所述的集电极侧部分超结的深度和浓度依照实际应用选取；所述的集电极短路栅的导电填充物采用多晶硅、导电金属。
本发明工作原理为：
在正向阻断状态下，如图3(a)所示，集电极短路沟槽(shorted-collectortrench，简称：SCT)起到垂直场板的作用，阻止耗尽层扩展到P-集电区，同时集电极侧部分超结结构(collector side semi-superjunction，简称：CSJ)间的横向电场抬升了N-柱的电势，两者的共同作用起到截止电场的目的。所以本发明的逆导IGBT可以在不采用N-缓冲层的情况下，获得场截止的效果，达到较高的阻断能力。
在反向导通状态下，如图3(b)所示，CSJ间的横向扩展使得P-柱7在很小的反向电压下就可以发生纵向穿通效应。此时，器件寄生的NPNP晶闸管被触发，器件的反向电流因此由该NPNP晶闸管导通。
在正向导通状态下，如图3(c)所示，CSJ间的横向电场抬高了N-柱6的电势，使得由发射极侧注入的电子电流倾向于沿着N-柱6流向集电极侧。同时，集电极侧由于SCT的存在，起到了介质阻挡层的作用，阻止电子横向流入N+短路区。所以，电子被存储在集电极侧以降低该区域的电势，直到集电极PN结开启。该作用可以有效地抑制传统逆导IGBT存在的snapback现象。
对本发明提供的逆导IGBT(Proposed)和传统IGBT(Con.RC-IGBT)结构进行仿真对比，进一步证实了本结构的优越性。本发明具体实施方案以耐压1200V的沟槽栅IGBT为例，但是本发明不仅局限于这一种器件。
图4给出了传统逆导IGBT与本发明提供的逆导IGBT的耐压特性对比。为了保证公平比较，必须保证传统逆导IGBT与本发明提供的逆导IGBT一致的阻断能力；图5给出了传统逆导IGBT与本发明提供的逆导IGBT雪崩能量的对比。经计算得，本发明提供的逆导IGBT的雪崩能量为1.6J，而传统逆导IGBT的雪崩能量为1.57J，二者几乎一致。
图6给出了传统逆导IGBT与本发明提供的逆导IGBT的IV对比。在反向IV特性方面，本发明提供的逆导IGBT具有与传统逆导IGBT类似的IV特性。而在正向IV特性方面，由于本发明有效地抑制了snapback现象，使得本发明在集电极元胞长度为8μm下就完全消除了snapback现象。而传统IGBT存在集电极短路结构抽取电子，所以在集电极元胞长度为80μm下还是存在明显地snapback现象。同时，由于本发明更加有效地利用了P-集电区的面积，使得正向导通压降(VF)比传统逆导IGBT低了27％。图7给出了传统逆导IGBT与本发明提供的逆导IGBT的VF和关断损耗(Eoff)折中关系曲线。有图可知，DI-IGBT拥有更加优化的导通压降和关断损耗的折中曲线。在Eoff为6mJ/cm2下，本发明提供的逆导IGBT的VF比传统逆导IGBT低了25％。图8给出了传统逆导IGBT与本发明提供的逆导IGBT反向恢复特性的对比。经计算得，本发明提供的逆导IGBT的反向恢复电荷为29.6μC/cm2，而传统逆导IGBT的反向恢复电荷为33.4μC/cm2。同时，本发明提供的逆导IGBT的反向恢复功耗为7.4mJ/cm2,比传统逆导IGBT的8.8mJ/cm2低了16％。
通过对器件各种关键参数比较，直观地展示出了本发明结构相对与传统逆导IGBT结构具有的抑制snapback现象以及低功率损耗的优势。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种逆导双极型晶体管，其特征在于，包括多个元胞结构，每个元胞结构包括N-漂移区(8)、位于N-漂移区(8)下方的集电极侧部分超结结构、位于集电极侧部分超结结构下方的集电极结构以及位于N-漂移区(8)上方的栅极结构和发射极结构；
所述的集电极侧部分超结结构由水平方向交替排列的N-柱(6)和P-柱(7)构成；所述的集电极结构包括P-集电区(2)、N+短路区(3)、金属化集电极(1)和集电极短路沟槽结构；所述的P-集电区(2)、N+短路区(3)和集电极短路沟槽结构并列与金属化集电极(1)的上表面；
所述的集电极短路沟槽结构包括沟槽氧化层(4)和多晶硅导电填充物(5)，所述的集电极短路沟槽结构沿垂直方向插入P-集电区(2)和N+短路区(3)、N-柱(6)和P-柱(7)之间；所述的多晶硅导电填充物(5)与金属化集电极(1)短接；
所述的栅极结构为沟槽栅，包括栅氧化层(9)，多晶硅栅电极填充物(11)和金属化栅电极(12)，所述的金属化栅电极(12)位于多晶硅栅电极填充物(11)的上表面；所述的发射极结构位于相邻两个沟槽栅之间，包括P-基区(10)、N+发射区(13)、P+区(14)和金属化发射极(15)；所述的N+发射区位于发射极结构上表面的两端，N+发射区与栅氧化层(9)，P-基区(10)相连；所述的P+区位于两个N+发射区之间；所述的金属化发射极(15)位于N+发射区与P+区的上表面。
2.根据权利要求1所述的逆导双极型晶体管，其特征在于，所述的N-柱(6)位于P-集电区(2)上方，且位于N-漂移区(8)下方。
3.根据权利要求1所述的逆导双极型晶体管，其特征在于，所述的P-柱(7)位于N+短路区(3)上方，且位于N-漂移区(8)下方。
4.根据权利要求1所述的逆导双极型晶体管，其特征在于，所述的集电极短路沟槽结构沿垂直方向插入N+短路区(3)和P-集电区(2)、N-柱(6)和P-柱(7)之间。
5.根据权利要求1所述的逆导双极型晶体管，其特征在于，所述元胞结构不具有N-缓冲层结构。
6.根据权利要求1所述的逆导双极型晶体管，其特征在于，所述的导电填充物为多晶硅或金属。
7.根据权利要求1所述的逆导双极型晶体管，其特征在于，该逆导双极型晶体管的半导体材料采用Si、SiC、GaAs或GaN。
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