CN109742139A - 一种基于ligbt的单栅控制电压电流采样器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于LIGBT的单栅控制电压电流采样器件，其元胞结构包括第一导电类型半导体衬底、衬底电极、外延氧化层、第二导电类型半导体漂移区、第二导电类型半导体掺杂区、第一导电类型半导体阳极区、第一金属电极、第一导电类型半导体体区、氧化层、金属栅极、第一导电类型半导体掺杂区、第二导电类型半导体阴极区、第一导电类型半导体掺杂区、第二导电类型半导体掺杂区、第一导电类型半导体阴极区、第三金属电极、第四金属电极、第五金属电极、第二金属电极，器件在导通状态可以实现对流经器件的电流进行采样，关断瞬态可以实现对阳极电压的检测，电流采样与电压采样交替进行，且采样精度高，采样比可控。

Description

一种基于LIGBT的单栅控制电压电流采样器件

技术领域

本发明属于功率半导体器件技术领域，涉及一种基于LIGBT的单栅控制电压电流采样器件。

背景技术

与功率驱动相关的高压、功率集成电路和系统中，都需要对高压、功率集成电路输入/输出性能和负载情况等进行检测，做到对电路和系统的实时保护，满足集成电路和系统的智能化，有效地保证系统正常和可靠地工作。实现高压、功率集成电路及其应用系统的控制是当今国内外的研究热点以及研究科学难点。

功率半导体器件在实际应用中面临诸多失效情况，如短路事件以及感性负载下的瞬态电流峰值过冲等，单个模块中器件的损坏将直接影响电路系统的可靠性与稳定性，监测器件工作时稳定性的有效方法是直接测量功率模块中器件的电压和电流并及时反馈。传统采样技术主要是通过外围元器件实现的，如副边反馈采样、电阻、电流镜采样等方法，这些方法都会带来信号采样不可调、采样精度不够、制作成本增加、应用电路体积大等缺点，目前，研究者们开始进行芯片内部采样技术的研究以克服上述缺点，包括电压采样、电流采样、温度采样等。

电流采样方面，其他人提出了JFET采样结构，如图1所示，JFET采样器件具有结构简单、采样精度高、可以作为采样和自供电的复用器件等优点。在低电压应用场合，传统结构的JFET采样器件已经可以胜任相关应用，但在高压应用场合，常规JFET采样器件很难满足应用要求，首先，器件耐压不够，考虑到设计时的各方面折中关系，耐压也很难再设计提升；其次，JFET背栅极接地或者固定电位，采样电流漂移区深度决定，无法在应用中时进行调节，即采样不可控；最后，饱和区恒流特性差，非恒流充电会导致自供电电压不稳，从而影响芯片正常工作。但该结构不适合用于高压应用场合。

针对传统JFET采样器件的不足，其他人提出了如图2所示的SenseFET结构，该结构在电流采样方面具有更优异的表现：高的电压阻断能力(可以达到700V)、采样电流具有可控性、采样精度高、应用简单(可无外部反馈)，器件在开启周期通过栅极的控制以实现采样电流的可控性，关断周期可以实现芯片自供电。此外，SenseFET在饱和区工作时具有比传统JFET采样器件更好的饱和区恒流特性。然而，该结构不能同时兼具电流采样与电压采样的功能，不能完全满足高压应用的要求。

发明内容

本发明的目的就是针对上述芯片内部采样存在的问题，提出一种基于LIGBT的单栅控制电压电流采样器件。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种基于LIGBT的单栅控制电压电流采样器件，其元胞结构包括第一导电类型半导体衬底1和位于第一导电类型半导体衬底1下表面的衬底电极19；所述第一导电类型半导体衬底1上表面具有外延氧化层2；所述外延氧化层2上表面具有第二导电类型半导体漂移区3；所述第二导电类型半导体漂移区3中具有第二导电类型半导体掺杂区4；所述第二导电类型半导体掺杂区4中具有第一导电类型半导体阳极区5，所述第一导电类型半导体阳极区5上表面具有第一金属电极11；所述第二导电类型半导体漂移区3中具有第一导电类型半导体体区13；所述第一导电类型半导体掺杂区13上表面具有氧化层12；所述氧化层12中具有金属栅极14；所述第二导电类型半导体漂移区3中右侧具有第一导电类型半导体掺杂区18；所述第一导电类型半导体掺杂区18中具有第二导电类型半导体阴极区6，第二导电类型半导体阴极区6的右侧设有第一导电类型半导体掺杂区8、第二导电类型半导体掺杂区7、第一导电类型半导体阴极区9；所述第二导电类型半导体阴极区6上表面具有第三金属电极15；所述第二导电类型半导体掺杂区7上表面具有第四金属电极16；所述第一导电类型半导体掺杂区8上表面具有第五金属电极17，所述第一导电类型半导体阴极区9上表面具有第二金属电极10。

作为优选方式，第二导电类型半导体阴极区6的右侧依次设置第一导电类型半导体掺杂区8、第二导电类型半导体掺杂区7、第一导电类型半导体阴极区9；第二导电类型半导体掺杂区6、第一导电类型半导体掺杂区8和第二导电类型半导体掺杂区7之间紧邻设置。

作为优选方式，第二导电类型半导体阴极区6的右侧依次设置第二导电类型半导体掺杂区7、第一导电类型半导体掺杂区8、第一导电类型半导体阴极区9；第二导电类型半导体阴极区6的右侧和第二导电类型半导体掺杂区7之间设有间隙，第二导电类型半导体掺杂区7和第一导电类型半导体掺杂区8之间紧邻设置。

作为优选方式，第二导电类型半导体阴极区6的右侧依次设置第一导电类型半导体阴极区9、第二导电类型半导体掺杂区7、第一导电类型半导体掺杂区8；第二导电类型半导体掺杂区7和第一导电类型半导体掺杂区8之间紧邻设置。

作为优选方式，第二导电类型半导体阴极区6的右侧依次设置第一导电类型半导体阴极区9、第一导电类型半导体掺杂区8、第二导电类型半导体掺杂区7；第二导电类型半导体掺杂区7和第一导电类型半导体掺杂区8之间紧邻设置。

作为优选方式，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。

作为优选方式，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。

作为优选方式，第一导电类型半导或第二导电类型半导体为单晶硅、碳化硅或者氮化镓。

本发明的有益效果为：器件在导通状态可以实现对流经器件的电流进行采样，关断瞬态可以实现对阳极电压的检测，电流采样与电压采样交替进行，且采样精度高，采样比可控。

附图说明

图1是常规JFET采样结构示意图；

图2是SenseFET采样结构示意图；

图3是本发明实施例1的基于LIGBT的单栅控制电压电流采样器件的二维结构示意图；

图4是本发明实施例2的基于LIGBT的单栅控制电压电流采样器件的可替代结构方案示意图；

图5是本发明实施例3的基于LIGBT的单栅控制电压电流采样器件的可替代结构方案示意图；

图6是本发明实施例4的基于LIGBT的单栅控制电压电流采样器件的可替代结构方案示意图；

图7是本发明的一种基于LIGBT的单栅控制电压电流采样器件的三维结构示意图；

图8是二维器件结构的采样原理图；

图9是本发明的基于LIGBT的采样器件电流采样特性示意图；

图10是本发明的基于LIGBT的采样器件电压采样特性示意图；

1为第一导电类型半导体衬底，2为外延氧化层，3为第二导电类型半导体漂移区，4为第二导电类型半导体掺杂区，5为第一导电类型半导体阳极区，6为第二导电类型半导体阴极区，7为第二导电类型半导体掺杂区，8为第一导电类型半导体掺杂区，9为第一导电类型半导体阴极区，10为第二金属电极，11为第一金属电极，12为氧化层，13为第一导电类型半导体体区，14为金属栅极，15为第三金属电极，16为第四金属电极，17为第五金属电极，18为第一导电类型半导体掺杂区，19为衬底电极，20为电流采样电极，21为漂移区表面第二导电类型半导体重掺杂区，22为衬底表面第一导电类型半导体重掺杂区，23为第一导电类型半导体体区，24为第一导电类型半导体重掺杂区，25为栅金属电极，26为多晶硅电极。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

实施例1

本发明的一种基于LIGBT的单栅控制电压电流采样器件，如图3所示，其元胞结构包括第一导电类型半导体衬底1和位于第一导电类型半导体衬底1下表面的衬底电极19；所述第一导电类型半导体衬底1上表面具有外延氧化层2；所述外延氧化层2上表面具有第二导电类型半导体漂移区3；所述第二导电类型半导体漂移区3中具有第二导电类型半导体掺杂区4；所述第二导电类型半导体掺杂区4中具有第一导电类型半导体阳极区5，所述第一导电类型半导体阳极区5上表面具有第一金属电极11；所述第二导电类型半导体漂移区3中具有第一导电类型半导体体区13；所述第一导电类型半导体掺杂区13上表面具有氧化层12；所述氧化层12中具有金属栅极14；所述第二导电类型半导体漂移区3中右侧具有第一导电类型半导体掺杂区18；其特征在于：所述第一导电类型半导体掺杂区18中具有第二导电类型半导体阴极区6，第二导电类型半导体阴极区6的右侧依次设置第一导电类型半导体掺杂区8、第二导电类型半导体掺杂区7、第一导电类型半导体阴极区9；第二导电类型半导体掺杂区6、第一导电类型半导体掺杂区8和第二导电类型半导体掺杂区7之间紧邻设置。所述第二导电类型半导体阴极区6上表面具有第三金属电极15；所述第二导电类型半导体掺杂区7上表面具有第四金属电极16；所述第一导电类型半导体掺杂区8上表面具有第五金属电极17，所述第一导电类型半导体阴极区9上表面具有第二金属电极10。

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。或者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。

优选的，第一导电类型半导或第二导电类型半导体为单晶硅、碳化硅或者氮化镓。

接下来以P型衬底的电流电压采样器件为例，说明本发明的工作原理：

如图3所示，基于LIGBT结构，在第一导电类型半导体掺杂区18中的第二导电类型半导体阴极区6与第一导电类型半导体阴极区9之间注入第二导电类型半导体掺杂区7和第一导电类型半导体掺杂区8，在器件表面第二导电类型半导体掺杂区7和第一导电类型半导体掺杂区8构成单栅JFET结构。如图8所示，当金属栅极14开启时，电流从第一金属电极11流经器件内部，第二导电类型半导体漂移区3发生电导调制，电流在第一导电类型半导体掺杂区18中发生分流，一部分电流流经第三金属电极15和第二金属电极10，一部分电流流经第五金属电极17，这样器件在导通状态可以实现对器件电流的监控，当第一金属电极11电流增加时，第五金属电极17的采样电流也随之增加。在第四金属电极16上施加正电压时，PN结反偏，耗尽区扩展引起第一导电类型半导体掺杂区8中载流子的通路变窄，第五金属电极17的电流值将减小，从而实现电流采样的可控性。

当金属栅极14关断时,器件第一金属电极11电压迅速上升，此时在正向导通过程中第二导电类型半导体漂移区3存储的大量空穴也将从第二金属电极10、第三金属电极15和第五金属电极17释放，第五金属电极17将会出现短暂的电压上升，且第一金属电极11电压上升的过程与第五金属电极17电压上升的过程是同步的，因此器件可以实现对第一金属电极11电压的监控，在第四金属电极16上施加正电压时，PN结反偏，第一导电类型半导体掺杂区中耗尽区扩展引起载流子的通路变窄，第五金属电极17的电流值将减小，从而实现电压采样的可控性。

为了验证本发明的有益结果，利用Medici软件模拟器件结构，并进行电学参数的仿真，仿真的主要参数为：衬底掺杂浓度为1.2e14cm^-3，漂移区掺杂浓度为3e14cm^-3，漂移区长度为60μm，结深30μm，Pbody的掺杂浓度为2e17cm^-3，Pbody内部浅结结深均为0.5μm。仿真结果发现：新结构具有高的电压阻断能力，器件击穿电压为675V，阈值电压为3V。在动态仿真中，电压采样端接100Ω的采样电阻，阴极接地，在导通状态下改变流经器件的电流，得到如图9所示的电流采样图像，控制栅为0V，当阳极电流增加时，感测电极的采样电流也随之增加，且电流的采样是线性变化的。控制栅为0V，当栅极电压下降，器件处在关断瞬态时，感测电极将会出现电压的上升，到达峰值后回落至0V，且阳极电压上升的过程与感测电极电压上升的过程是同步的，因此器件可以实现对电极电压的监控，图10所示为感测极电压跟随阳极电压的变化示意图。

综上所述，本发明提供的一种基于LIGBT的单栅控制电压电流采样器件，通过Pbody内置采样结构，可以实现对器件对电流和电压的交替采样，且控制栅的存在可以实现采样电压和电流的可控性。

实施例2

如图4所示，本实施例和实施例1的区别在于：第二导电类型半导体阴极区6的右侧依次设置第二导电类型半导体掺杂区7、设有第一导电类型半导体掺杂区8、第一导电类型半导体阴极区9；第二导电类型半导体阴极区6的右侧和第二导电类型半导体掺杂区7之间设有间隙，第二导电类型半导体掺杂区7和第一导电类型半导体掺杂区8之间紧邻设置。

实施例3

如图5所示，本实施例和实施例1的区别在于：第二导电类型半导体阴极区6的右侧依次设置第一导电类型半导体阴极区9、第二导电类型半导体掺杂区7第一导电类型半导体掺杂区8；第二导电类型半导体掺杂区7和第一导电类型半导体掺杂区8之间紧邻设置。

实施例4

如图6所示，本实施例和实施例1的区别在于：第二导电类型半导体阴极区6的右侧依次设置第一导电类型半导体阴极区9、第一导电类型半导体掺杂区8、第二导电类型半导体掺杂区7；第二导电类型半导体掺杂区7和第一导电类型半导体掺杂区8之间紧邻设置。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种基于LIGBT的单栅控制电压电流采样器件，其元胞结构包括第一导电类型半导体衬底(1)和位于第一导电类型半导体衬底(1)下表面的衬底电极(19)；所述第一导电类型半导体衬底(1)上表面具有外延氧化层(2)；所述外延氧化层(2)上表面具有第二导电类型半导体漂移区(3)；所述第二导电类型半导体漂移区(3)中具有第二导电类型半导体掺杂区(4)；所述第二导电类型半导体掺杂区(4)中具有第一导电类型半导体阳极区(5)，所述第一导电类型半导体阳极区(5)上表面具有第一金属电极(11)；所述第二导电类型半导体漂移区(3)中具有第一导电类型半导体体区(13)；所述第一导电类型半导体掺杂区(13)上表面具有氧化层(12)；所述氧化层(12)中具有金属栅极(14)；所述第二导电类型半导体漂移区(3)中右侧具有第一导电类型半导体掺杂区(18)；其特征在于：所述第一导电类型半导体掺杂区(18)中具有第二导电类型半导体阴极区(6)，第二导电类型半导体阴极区(6)的右侧设有第一导电类型半导体掺杂区(8)、第二导电类型半导体掺杂区(7)、第一导电类型半导体阴极区(9)；所述第二导电类型半导体阴极区(6)上表面具有第三金属电极(15)；所述第二导电类型半导体掺杂区(7)上表面具有第四金属电极(16)；所述第一导电类型半导体掺杂区(8)上表面具有第五金属电极(17)，所述第一导电类型半导体阴极区(9)上表面具有第二金属电极(10)。

2.根据权利要求1所述的一种基于LIGBT的单栅控制电压电流采样器件，其特征在于：第二导电类型半导体阴极区(6)的右侧依次设置第一导电类型半导体掺杂区(8)、第二导电类型半导体掺杂区(7)、第一导电类型半导体阴极区(9)；第二导电类型半导体掺杂区(6)、第一导电类型半导体掺杂区(8)和第二导电类型半导体掺杂区(7)之间紧邻设置。

3.根据权利要求1所述的一种基于LIGBT的单栅控制电压电流采样器件，其特征在于：第二导电类型半导体阴极区(6)的右侧依次设置第二导电类型半导体掺杂区(7)、第一导电类型半导体掺杂区(8)、第一导电类型半导体阴极区(9)；第二导电类型半导体阴极区(6)的右侧和第二导电类型半导体掺杂区(7)之间设有间隙，第二导电类型半导体掺杂区(7)和第一导电类型半导体掺杂区(8)之间紧邻设置。

4.根据权利要求1所述的一种基于LIGBT的单栅控制电压电流采样器件，其特征在于：第二导电类型半导体阴极区(6)的右侧依次设置第一导电类型半导体阴极区(9)、第二导电类型半导体掺杂区(7)、第一导电类型半导体掺杂区(8)；第二导电类型半导体掺杂区(7)和第一导电类型半导体掺杂区(8)之间紧邻设置。

5.根据权利要求1所述的一种基于LIGBT的单栅控制电压电流采样器件，其特征在于：第二导电类型半导体阴极区(6)的右侧依次设置第一导电类型半导体阴极区(9)、第一导电类型半导体掺杂区(8)、第二导电类型半导体掺杂区(7)；第二导电类型半导体掺杂区(7)和第一导电类型半导体掺杂区(8)之间紧邻设置。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种基于LIGBT的单栅控制电压电流采样器件，其特征在于：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。

7.根据权利要求1至5任意一项所述的一种基于LIGBT的单栅控制电压电流采样器件，其特征在于：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。

8.根据权利要求1所述的一种基于LIGBT的单栅控制电压电流采样器件，其特征在于：第一导电类型半导或第二导电类型半导体为单晶硅、碳化硅或者氮化镓。