CN109920841B - 一种槽栅双极型晶体管 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体器件技术领域，具体的说涉及一种槽栅双极型晶体管。本发明的主要方案：一是采用了元胞区与假元胞区在水平方向交替排列的结构，假元胞区与元胞区通过金属化发射极相连，假元胞区内靠近发射极一侧的半导体浮空；二是在假元胞上表面垂直延伸进器件形成与发射极短接的沟槽结构，起到均匀电场的作用。本发明具有极低的功率损耗。在器件经受短路冲击时，由于本发明器件具有更加均匀的电场分布，降低了器件的碰撞电离率，抑制了器件热失效，使得器件具有更强的抗短路能力。

Description

一种槽栅双极型晶体管
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体的说涉及一种槽栅双极型晶体管(TrenchInsulated Gate Bipolar Transisitor，简称：TIGBT)。
背景技术
高压功率半导体器件是功率电子的重要组成部分，在诸如动力系统中的电机驱动，消费电子中变频等领域具有广泛的应用。在应用中，高压功率半导体需要具有低功率损耗，高抗短路能力，低电磁干扰噪声等特性。传统绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，简称：IGBT)由于其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。但是，IGBT作为一种双极型器件，其关键参数导通压降与关断损耗之间存在折中关系。带有浮空假元胞的IGBT改善了传统IGBT的功耗折中关系，且获得了更大的短路安全工作区。但是，带有浮空假元胞的IGBT在开启过程中电磁干扰噪声太大，影响器件的可靠性。H.Feng等人首次在15年T-ED上提出了鳍型P基区IGBT(Fin-P IGBT)，该结构通过刻蚀掉浮空P区的方式，一定程度上降低了EMI噪声。但是，Fin-P IGBT的各方面特性还存在极大的优化空间。
发明内容
本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种槽栅型IGBT结构(可称为ESJ-IGBT，Emitter superjunction IGBT，发射极侧超结IGBT)，大大降低了IGBT开启过程中的电磁干扰噪声，并且进一步降低了器件的功率损耗，增大了器件的短路安全工作区。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种槽栅双极型晶体管，其结构如图1所示；在水平方向由假元胞区1和元胞区2交替排列而成；所述的假元胞区1包括集电极结构、漂移区结构、浮空结构和T型发射极结构；所述的集电极结构包括金属化集电极3和位于金属化集电极3上表面的P-集电区4；所述的漂移区结构包括位于P-集电区4上表面的N-缓冲层5、位于N-缓冲层5上表面的N漂移区6和位于N漂移区6上表面的N型半导体条8；所述的浮空结构包括位于N型半导体条8上表面的N型层9、位于N型层9上表面的浮空P区16；所述的T型发射极结构包括氧化层14和发射极13；所述的氧化层14位于浮空结构的上表面，并沿浮空结构的中心垂直深入浮空结构形成沟槽，其一侧与浮空P区16、N型层9和N型半导体条8接触，另一侧只与金属化发射极13接触；所述的发射极13位于氧化层的上表面与沟槽内部；所述的元胞区2包括集电极结构、漂移区结构、发射极结构和沟槽栅结构；所述的集电极结构包括金属化集电极3和位于金属化集电极3上表面的P-集电区4；所述的漂移区结构包括位于P-集电区4上表面的N-缓冲层5、位于N-缓冲层5上表面的N漂移区6和位于N漂移区上表面的P型半导体条7；所述的发射极结构位于漂移区结构的上表面，包括N型层9、P型基区10、P+接触区11、N+发射区12和金属化发射极13；所述的N型层9位于P型半导体条7的上表面；所述的P型基区10位于N型层9的上表面；所述的N型层9和P型基区10均位于两个相邻的沟槽结构之间；所述的N+发射区12位于元胞区2上表面的两端；所述的P+接触区11位于两个相邻的N+发射区12之间；所述金属化发射极13位于P+接触区11和N+发射区12的上表面；所述的沟槽栅结构包括氧化层14和多晶硅栅15；氧化层14沿器件的垂直方向延伸入P型半导体条7中形成沟槽，所述的氧化层侧面与N+发射区12、P型基区10，N型层9、P型半导体条7、N型半导体条8接触和浮空P区16接触；所述的多晶硅栅15位于沟槽中。其特征在于，所述的ESJ-IGBT由水平方向交替排列的假元胞区1和元胞区2构成；所述的假元胞区1和元胞区2通过金属化发射极13连接到一起；所述的T型发射极结构垂直延伸入假元胞区1，其侧面与浮空P区16、N型层9和N型半导体条8接触；所述的沟槽栅结构垂直延伸入元胞区2，其侧面与N+发射区12、P型基区10，N型层9、P型半导体条7、N型半导体条8接触和浮空P区16接触。
本发明总的技术方案，主要有两点，一是器件采用了元胞区与假元胞区在水平方向交替排列的结构，假元胞区内靠近发射极一侧的半导体浮空，并且假元胞区和元胞区的宽度依据器件实际要求设计；二是在假元胞上表面垂直延伸进器件形成沟槽结构的T型发射极，其沟槽结构的数目、宽度以及沟槽内填充物依据器件实际要求设计。
本发明的有益效果为，通过提出新结构槽栅双极型晶体管(ESJ-IGBT)，在不改变器件参数的前提下，极大降低了器件开启时的电磁噪声干扰，同时降低了器件的功率损耗、增大了器件的短路安全工作区。
附图说明
图1是本发明的ESJ-IGBT结构示意图；
图2是传统的Fin-P IGBT结构示意图；
图3是Fin-P IGBT与本发明提供的ESJ-IGBT的电磁干扰噪声与开启功耗的折中关系比较图；
图4是Fin-P IGBT与本发明提供的ESJ-IGBT的短路特性比较图；
图5是Fin-P IGBT与本发明提供的ESJ-IGBT的耐压与导通压降折中关系比较图；
图6是Fin-P IGBT与本发明提供的ESJ-IGBT的功耗折中关系比较图；
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
本发明提出的一种新型槽栅双极型晶体管，结构示意图如图1，极大降低了IGBT的开启电磁噪声干扰，同时降低IGBT了的功率损耗、增大了IGBT的短路安全工作区。本发明的主要方案是采用水平方向交替排列的元胞区与假元胞区，假元胞区内靠近发射极一侧的半导体浮空；其次在假元胞上表面垂直延伸进器件形成沟槽结构的T型发射极，其沟槽结构的数目、宽度以及沟槽内填充物依据器件实际要求设计。
一种槽栅双极型晶体管，其结构如图1所示；在水平方向由假元胞区1和元胞区2交替排列而成；所述的假元胞区1包括集电极结构、漂移区结构、浮空结构和T型发射极结构；所述的集电极结构包括金属化集电极3和位于金属化集电极3上表面的P-集电区4；所述的漂移区结构包括位于P-集电区4上表面的N-缓冲层5、位于N-缓冲层5上表面的N漂移区6和位于N漂移区6上表面的N型半导体条8；所述的浮空结构包括位于N型半导体条8上表面的N型层9、位于N型层9上表面的浮空P区16；所述的T型发射极结构包括氧化层14和发射极13；所述的氧化层14位于浮空结构的上表面，并沿浮空结构的中心垂直深入浮空结构形成沟槽，其一侧与浮空P区16、N型层9和N型半导体条8接触，另一侧只与金属化发射极13接触；所述的发射极13位于氧化层的上表面与沟槽内部；所述的元胞区2包括集电极结构、漂移区结构、发射极结构和沟槽栅结构；所述的集电极结构包括金属化集电极3和位于金属化集电极3上表面的P-集电区4；所述的漂移区结构包括位于P-集电区4上表面的N-缓冲层5、位于N-缓冲层5上表面的N漂移区6和位于N漂移区上表面的P型半导体条7；所述的发射极结构位于漂移区结构的上表面，包括N型层9、P型基区10、P+接触区11、N+发射区12和金属化发射极13；所述的N型层9位于P型半导体条7的上表面；所述的P型基区10位于N型层9的上表面；所述的N型层9和P型基区10均位于两个相邻的沟槽结构之间；所述的N+发射区12位于元胞区2上表面的两端；所述的P+接触区11位于两个相邻的N+发射区12之间；所述金属化发射极13位于P+接触区11和N+发射区12的上表面；所述的沟槽栅结构包括氧化层14和多晶硅栅15；化层14沿器件的垂直方向延伸入P型半导体条7中形成沟槽，所述的氧化层侧面与N+发射区12、P型基区10，N型层9、P型半导体条7、N型半导体条8接触和浮空P区16接触；所述的多晶硅栅15位于沟槽中。其特征在于，所述的ESJ-IGBT由水平方向交替排列的假元胞区1和元胞区2构成；所述的假元胞区1和元胞区2通过金属化发射极13连接到一起；所述的T型发射极结构垂直延伸入假元胞区1，其侧面与浮空P区16、N型层9和N型半导体条8接触；所述的沟槽栅结构垂直延伸入元胞区2，其侧面与N+发射区12、P型基区10，N型层9、P型半导体条7、N型半导体条8接触和浮空P区16接触。
本发明工作原理：在所述IGBT的金属化集电极3上加正电压，在金属化发射极13上加零电压，IGBT工作在阻断状态。此时，给IGBT的栅极加上电压，IGBT从阻断状态逐渐转为开启状态。在IGBT开启初期，元胞区的P型半导体条与假元胞区的N型半导体条发生横向耗尽，使得P型半导体条的电势低于N型半导体条。此时，从集电极侧来的空穴位移电流会沿着P型半导体条流出器件，抑制了空穴在浮空P区内与栅极附近的积累。同时，N型层的存在抬升了该处的电势，进一步抑制了空穴在浮空P区内的积累。由于这部分空穴积累产生的位移电流会对栅电容充电，从而削弱了IGBT开启时的栅极控制能力、增大了电磁干扰噪声。而ESJ-IGBT降低了位移电流对栅电容的充电效果，从而增强了器件开启时的栅极控制能力、降低了电磁干扰噪声。
当ESJ-IGBT处于导通状态下，浮空P区和N型层的存在，抑制了器件发射极对空穴的抽取，增强了器件的电导调制效应，降低了导通压降。同时，ESJ-IGBT在关断时由于元胞区的P型半导体条与假元胞区的N型半导体条发生横向耗尽，迅速将过剩载流子抽出器件，大大降低了关断时间。所以，ESJ-IGBT具有极低的功率损耗。
当ESJ-IGBT处于短路状态下，元胞区的P型半导体条与假元胞区的N型半导体条发生横向耗尽，形成了电势屏蔽层，均匀了栅角附近的电场分布，所以ESJ-IGBT在短路下的碰撞电离现象被减弱，抑制了器件的雪崩效应，从而增大了ESJ-IGBT的短路安全工作区。
对本发明提供的ESJ-IGBT和Fin-P IGBT结构进行仿真对比，进一步证实了本结构的优越性。图3给出了ESJ-IGBT和Fin-P IGBT开启功耗和电磁干扰噪声(Maxmum dVKA/dt)的折中关系比较图。从图3可以看出，在相同的开启功耗下(Eon)，ESJ-IGBT的Maxmum dVKA/dt从11.49kV/μs降低到4.02kV/μs，实现了65％的降低量，极大抑制了IGBT开启的电磁干扰噪声。
图4给出了ESJ-IGBT和Fin-P IGBT的短路特性对比曲线。有图可知，ESJ-IGBT在经过11.3μs短路冲击后失效，Fin-P IGBT在经过8.3μs短路冲击后失效。ESJ-IGBT的短路持续时间比Fin-P IGBT的长了36％。
图5给出了了ESJ-IGBT和Fin-P IGBT的耐压与导通压降折中关系比较图。可以看出，ESJ-IGBT具有更优化的折中关系。这是由于ESJ-IGBT在耐压下具有更均匀的电场分布。
图6给出了ESJ-IGBT和Fin-P IGBT的导通压降(Von)和关断损耗(Eoff)折中关系曲线。有图可知，ESJ-IGBT拥有更加优化的导通压降和关断损耗的折中曲线。在相同关断损耗下，ESJ-IGBT的导通压降比Fin-P IGBT的导通压降低了21％。
通过对IGBT关键参数：电磁干扰噪声、功率损耗以及抗短路能力的比较，直观地展示出了本发明结构相对与Fin-P IGBT结构在中高压功率半导体器件应用上的性能优势。

Claims (3)

1.一种槽栅双极型晶体管，其特征在于，在水平方向由假元胞区（1）和元胞区（2）交替排列而成；所述的假元胞区（1）包括集电极结构、第一漂移区结构、浮空结构和T型发射极结构；所述的集电极结构包括金属化集电极（3）和位于金属化集电极（3）上表面的P-集电区（4）；所述的第一漂移区结构包括位于P-集电区（4）上表面的N-缓冲层（5）、位于N-缓冲层（5）上表面的N漂移区（6）和位于N漂移区（6）上表面的N型半导体条（8）；所述的浮空结构包括位于N型半导体条（8）上表面的N型层（9）、位于N型层（9）上表面的浮空P区（16）；所述的T型发射极结构包括氧化层（14）和金属化发射极（13）；所述的氧化层（14）位于浮空结构的上表面，并沿浮空结构的中心垂直深入浮空结构形成沟槽，其一侧与浮空P区（16）、N型层（9）和N型半导体条（8）接触，另一侧只与金属化发射极（13）接触；所述的金属化发射极（13）位于所述的氧化层（14）的上表面与沟槽内部；所述的元胞区（2）包括集电极结构、第二漂移区结构、发射极结构和沟槽栅结构；所述的集电极结构包括金属化集电极（3）和位于金属化集电极（3）上表面的P-集电区（4）；所述的第二漂移区结构包括位于P-集电区（4）上表面的N-缓冲层（5）、位于N-缓冲层（5）上表面的N漂移区（6）和位于N漂移区（6）上表面的P型半导体条（7）；所述的发射极结构位于第二漂移区结构的上表面，包括N型层（9）、P型基区（10）、P+接触区（11）、N+发射区（12）和金属化发射极（13）；所述的N型层（9）位于P型半导体条（7）的上表面；所述的P型基区（10）位于N型层（9）的上表面；所述的N型层（9）和P型基区（10）均位于两个相邻的沟槽栅结构之间；所述的N+发射区（12）位于元胞区（2）上表面的两端；所述的P+接触区（11）位于两个相邻的N+发射区（12）之间；所述金属化发射极（13）位于P+接触区（11）和N+发射区（12）的上表面；所述的沟槽栅结构包括氧化层（14）和多晶硅栅（15）；所述的氧化层（14）沿器件的垂直方向延伸入P型半导体条（7）中形成沟槽，所述的氧化层（14）侧面与N+发射区（12）、P型基区（10），N型层（9）、P型半导体条（7）、N型半导体条（8）、浮空P区（16）接触；所述的多晶硅栅（15）位于沟槽中。
2.根据权利要求1所述的一种槽栅双极型晶体管，其特征在于：
所述的假元胞区和元胞区通过金属化发射极连接到一起，且假元胞区内靠近发射极一侧的半导体浮空。
3.根据权利要求2所述的一种槽栅双极型晶体管，其特征在于：
所述的假元胞区上表面包含垂直延伸进器件内的沟槽结构，该沟槽结构与金属化发射极短接。
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DE102009005914B4 (de) * 2008-01-28 2014-02-13 Denso Corporation Halbleitervorrichtung mit Halbleiterelement mit isoliertem Gate und bipolarer Transistor mit isoliertem Gate
JP4957840B2 (ja) * 2010-02-05 2012-06-20 株式会社デンソー 絶縁ゲート型半導体装置
US9245985B2 (en) * 2012-03-28 2016-01-26 Infineon Technologies Americas Corp. IGBT with buried emitter electrode
CN105932042B (zh) * 2016-04-26 2018-09-21 电子科技大学 一种双分裂沟槽栅电荷存储型igbt及其制造方法
CN109300975B (zh) * 2018-09-29 2021-03-30 电子科技大学 一种具有低电磁干扰噪声特性的槽栅双极型晶体管

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