CN109817708B - 一种快速开关igbt结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速开关IGBT结构，包括从下至上层叠设置的集电极、P++集电极区、N+缓冲区、N‑漂移区、栅结构及顶部金属层，栅结构包括栅介质层、第一栅电极和第二栅电极，顶部金属层包括发射极和辅助电极，N‑漂移区上部设有第一P型基区和第二P型基区，第一P型基区上部设有第一P+发射极区和N+发射极区，第一P+发射极区和N+发射极区与发射极连接，第一P型基区和N+发射极区与第一栅电极对应，第二P型基区上部设有第二P+发射极区，第二P+发射极区与辅助电极连接，第二P型基区与第二栅电极或第一栅电极对应，辅助电极与发射极之间连接电感L1，发射极与外部端子之间连接电感L2，电感L1和电感L2构成互感。该结构可极大提高器件瞬态开关速度。

Description

一种快速开关IGBT结构

技术领域

本发明涉及功率半导体器件技术领域，特别涉及一种绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是一种MOS场效应和双极型晶体管复合的新型电力电子器件。它既有MOSFET易于驱动，控制简单的优点，又有功率晶体管导通压降低，通态电流大，损耗小的优点，因而广泛应用在能源转换、机车牵引、工业变频、汽车电子和消费电子等领域，是电力电子领域重要核心器件之一。

现有技术的IGBT结构如图1所示，包括从下至上依次层叠设置的集电极1’、P++集电极区2’、N+缓冲区3’、N-漂移区4’、栅结构及发射极5’，其中栅结构包括栅介质层6’及设置在栅介质层6’内的栅电极7’。N-漂移区4’上部对称设置有两个P型基区8’，P型基区8’上部设有P+发射极区9’和N+发射极区10’，P+发射极区9’和N+发射极区10’均与发射极5’连接，栅电极7’设置在P型基区8’和N+发射极区10’上方，通过栅介质层6’分隔。该结构包含三个电极：集电极C、发射极E和栅极G。器件输入部分是由N+发射极区10’、P型基区8’和N-漂移区4’构成的NMOS，输出部分是由P+发射极区9’、P型基区8’、N-漂移区4’、N+缓冲区3’和底部P++集电极区2’构成的双极结型晶体管PNP。当栅极电压高于器件阈值电压时，NMOS导通，电子电流由发射极5’进入N-漂移区4’，给宽基区PNP晶体管提供基极驱动电流，开启PNP晶体管，使器件进入导通状态；当栅极电压低于阈值电压时，NMOS关断，不再有电流注入到N-漂移区4’，使器件关断。

但是，该结构的IGBT导通状态下N-漂移区4内发生电导调制效应，存储大量载流子，致使器件关断过程相对较慢。此外，器件米勒电容（栅极集电极电容）较大，影响开通特性，造成栅极过冲电压，制约了器件性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速开关IGBT结构，减小栅极集电极电容，同时增加辅助电极注入/抽取电荷，提高器件瞬态开关速度。

本发明的目的是这样实现的：一种快速开关IGBT结构，包括从下至上依次层叠设置的集电极、P++集电极区、N+缓冲区、N-漂移区、栅结构及顶部金属层，栅结构包括栅介质层及在栅介质层内分隔设置的第一栅电极和第二栅电极，顶部金属层包括分隔设置的发射极和辅助电极，N-漂移区上部分隔设置有第一P型基区和第二P型基区，第一P型基区上部设有第一P+发射极区和N+发射极区，第一P+发射极区和N+发射极区均与发射极连接，第一P型基区和N+发射极区均与第一栅电极对应，第二P型基区上部设有第二P+发射极区，第二P+发射极区与辅助电极连接，第二P型基区与第二栅电极或第一栅电极对应，辅助电极与发射极之间连接电感L1，发射极与外部端子之间连接电感L2，电感L1和电感L2构成互感M1。

本发明的快速开关IGBT结构，将栅电极分裂为两部分，在不影响沟道栅控条件下极大减小了栅极集电极电容，大幅降低栅电荷；同时增加辅助电极，构成四端器件，可在器件开启和关断过程中分别注入、抽取电荷，极大提高器件瞬态开关速度。

作为本发明的进一步改进，栅结构采用平面型结构，栅介质层设置在N-漂移区顶部，第一栅电极和第二栅电极在栅介质层上水平分布，第二P型基区与第二栅电极对应。该分裂栅结构简单，制作方便，且相对于现有技术，保留沟道控制栅，取消直接面对底部集电极的栅结构，大幅减小了米勒电容，有助于提高器件瞬态开关速度。

作为本发明的进一步改进，栅结构采用沟槽型结构，栅介质层从第一P型基区和第二P型基区之间伸入N-漂移区，第一栅电极和第二栅电极在栅介质层上垂直分布，第二P型基区与第一栅电极对应，第二栅电极与发射极连接。该分裂栅结构同样能够大幅减小米勒电容，提高器件瞬态开关速度。

附图说明

图1为现有技术的IGBT结构示意图。

图2为本发明的快速开关IGBT结构一实施例的示意图。

图3为图2所示的快速开关IGBT结构的外部工作电路示意图。

图4为本发明的快速开关IGBT结构又一实施例的示意图。

图5为图2所示的快速开关IGBT结构开启过程中内部电子电流、空穴电流分布示意图。

图6为图2所示的快速开关IGBT结构关闭过程中内部电子电流、空穴电流分布示意图。

图7为图2所示的快速开关IGBT结构与图1所示的现有技术的IGBT结构开启过程中栅极电压上升曲线对比图。

图8为图2所示的快速开关IGBT结构与图1所示的现有技术的IGBT结构关闭过程中栅极电压下降曲线对比图。

图9为图2所示的快速开关IGBT结构与图1所示的现有技术的IGBT结构的开启特性曲线对比图。

图10为图2所示的快速开关IGBT结构与图1所示的现有技术的IGBT结构的关闭特性曲线对比图。

其中， 1’集电极、2’P++集电极区、3’N+缓冲区、4’N-漂移区、5’发射极、6’栅介质层、7’栅电极、8’P型基区、9’P+发射极区、10’N+发射极区、1 集电极、2 P++集电极区、3 N+缓冲区、4 N-漂移区、5栅介质层、6第一栅电极、7 第二栅电极、8发射极、9 辅助电极、10第一P型基区、11第二P型基区、12第一P+发射极区、13 N+发射极区、14第二P+发射极区、15外部端子。

具体实施方式

如图2所示的快速开关IGBT结构，包括从下至上依次层叠设置的集电极1、P++集电极区2、N+缓冲区3、N-漂移区4、栅结构及顶部金属层。其中，栅结构包括栅介质层5、第一栅电极6和第二栅电极7。在本实施例中，栅结构采用平面型结构，栅介质层5设置在N-漂移区4顶部，第一栅电极6和第二栅电极7在栅介质层5上水平分隔设置。顶部金属层包括分隔设置的发射极8和辅助电极9。

如图2所示，N-漂移区4上部分隔设置有第一P型基区10和第二P型基区11。第一P型基区10上部设有第一P+发射极区12和N+发射极区13，第一P+发射极区12和N+发射极区13均与发射极8连接。第一P型基区10和N+发射极区13均与第一栅电极6对应。具体地，第一栅电极6位于第一P型基区10和N+发射极区13上方，与第一P型基区10和N+发射极区13通过栅介质层5分隔。第二P型基区11上部设有第二P+发射极区14，第二P+发射极区14与辅助电极9连接。第二P型基区11与第二栅电极7对应。具体地，第二栅电极7位于第二P型基区11上方，与第二P型基区11通过栅介质层5分隔。

该IGBT结构包含四个电极：集电极、发射极、栅电极（包括第一栅电极和第二栅电极）、辅助电极。其中N+发射极区13、第一P型基区10和N-漂移区4构成输入NMOS，第一P+发射极区12、第一P型基区10、N-漂移区4、N+缓冲层3和P++集电极区2构成输出宽基区PNP晶体管。具体而言，器件栅电极分为第一栅电极6和第二栅电极7两部分，保留对NMOS表面沟道控制的同时不再有直接面对底部集电极1的栅电极，因而极大减小栅极集电极电容，大幅度降低栅电荷。此外，图2结构中左侧的第二P型基区11中没有N+扩散区，通过增加辅助电极9对外引出，该电极在器件开启和关断过程中分别向器件内部注入电荷、抽取电荷。

图3为本实施例的IGBT结构外部工作电路示意图。如图所示，辅助电极9引出端A与发射极8引出端E之间连接电感L1，发射极8引出端E与外部端子15之间连接电感L2，电感L1和电感L2构成互感M1，电路工作时外部端子15一般接电路最低电位。

本实施例的IGBT存在三种工作状态：

1、集电极1与发射极8之间施加负向偏压时，P++集电极区2和N+缓冲层3构成的PN结处于反向偏置，集电极1与发射极8之间没有电流流通，IGBT结构处于反向阻断状态；

2、集电极1与发射极8之间施加正向偏压、第一栅电极6和第二栅电极7电压小于阈值电压时，NMOS处于关断状态，电子电流不能从第一N+发射极区12注入到N-漂移区4，无法开启宽基区PNP晶体管，此时IGBT结构集电极1与发射极8之间仍然没有电流流通，处于正向阻断状态；

3、集电极1与发射极8之间施加正向偏压、且第一栅电极6和第二栅电极7电压大于阈值电压时，NMOS导通，电子电流通过导电沟道从第一N+发射极区12注入到N-漂移区4。注入的电子电流作为宽基区PNP晶体管基极触发电流，促进P++集电极区2与N+缓冲层3构成的PN结发生空穴强注入，开启PNP晶体管，此时IGBT处于正向导通状态。

本实施例的IGBT辅助电极9注入/抽取电荷作用取决于器件处于开启过程或者关断过程：

1、栅电极电压由低电平上升到阈值电压以上时，IGBT将由关断状态进入开启状态，发射极电流I_E不断上升，通过互感M1作用，在电感L1中产生感生电流I_A流入辅助电极9。此时辅助电极9将通过第二P型基区11第二P+扩散区14向N-漂移区4内注入大量空穴，与NMOS向N-漂移区4注入的电子发生作用，使N-漂移区4内迅速产生电导调制效应，加速器件进入导通状态。图5示出了器件开启过程中内部电子电流、空穴电流分布。

2、栅电极电压由阈值电压以上下降到低电平时，IGBT将由开启状态进入关断状态，发射极电流I_E不断下降，通过互感M1作用，在电感L1中产生感生电流I_A流出辅助电极9。此时辅助电极9将通过第二P型基区11第二P+扩散区14从N-漂移区4内抽取电荷，加速N-漂移区4内存储电荷的扫除，使器件迅速进入关断耐压状态，加速器件关断过程。图6示出了器件关断过程中电子电流、空穴电流分布。

本实施例的IGBT栅电极采用分离结构，几乎消除了栅极集电极电容，极大减小栅电荷，使器件栅极电压在开启和关断过程中可以迅速上升和下降。图7和图8分别示出了本实施例的IGBT开启和关断过程中栅极电压上升和下降曲线（图中实线所示）和图1所示的现有技术的IGBT开启和关断过程中栅极电压上升和下降曲线（图中虚线所示），通过对比可以明显看出，本实施例的IGBT结构栅极电压上升和下降速度明显比现有技术的IGBT结构更快。

此外，分裂栅结构和辅助电极结构两者共同作用，极大改善了IGBT瞬态特性，提升了开关速度。图9和图10分别给出本实施例的IGBT开启和关断特性曲线与图1所示的现有技术的IGBT开启和关断特性曲线对比，其中实线为本实施例的IGBT、虚线为图1所示的现有技术的IGBT，通过对比可以看出，本实施例的IGBT开关速度比现有技术的IGBT结构更快。

图4示出了本发明的快速开关IGBT结构又一实施例。与图2所示的IGBT相比，主要不同在于，本实施例的IGBT采用沟槽栅结构。具体地，栅结构包括栅介质层5、第一栅电极6和第二栅电极7。其中栅介质层5从第一P型基区10和第二P型基区11之间伸入N-漂移区4，第一栅电极6和第二栅电极7在栅介质层5上垂直分布，第一P型基区10、N+发射极区13、第二P型基区13均与第一栅电极6对应，之间通过栅介质层5分隔，第二栅电极7与发射极8连接。该IGBT结构的外部工作电路与图2所示的IGBT结构相同，即辅助电极9与发射极8之间连接电感L1，发射极8与外部端子之间连接电感L2，电感L1和电感L2构成互感M1，电路工作时外部端子15一般接电路最低电位。该实施例的IGBT的分裂栅结构同样可以极大减小栅电荷，辅助电极注入、抽取电荷，两者共同作用提高了器件瞬态开关速度。其工作原理与上一实施例基本相同，在此不再赘述。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种快速开关IGBT结构，包括从下至上依次层叠设置的集电极、P++集电极区、N+缓冲区、N-漂移区、栅结构及顶部金属层，其特征在于：所述栅结构包括栅介质层及在所述栅介质层内分隔设置的第一栅电极和第二栅电极，所述顶部金属层包括分隔设置的发射极和辅助电极，所述N-漂移区上部分隔设置有第一P型基区和第二P型基区，所述第一P型基区上部设有第一P+发射极区和N+发射极区，所述第一P+发射极区和N+发射极区均与所述发射极连接，所述第一P型基区和所述N+发射极区均与所述第一栅电极对应，所述第二P型基区上部设有第二P+发射极区，所述第二P+发射极区与所述辅助电极连接，所述第二P型基区与所述第二栅电极或第一栅电极对应，所述辅助电极与所述发射极之间连接电感L1，所述发射极与外部端子之间连接电感L2，所述电感L1和电感L2构成互感M1。

2.根据权利要求1所述的快速开关IGBT结构，其特征在于：所述栅结构采用平面型结构，所述栅介质层设置在所述N-漂移区顶部，所述第一栅电极和第二栅电极在所述栅介质层上水平分布，所述第二P型基区与所述第二栅电极对应。

3.根据权利要求1所述的快速开关IGBT结构，其特征在于：所述栅结构采用沟槽型结构，所述栅介质层从所述第一P型基区和第二P型基区之间伸入所述N-漂移区，所述第一栅电极和第二栅电极在所述栅介质层上垂直分布，所述第二P型基区与所述第一栅电极对应，所述第二栅电极与所述发射极连接。