CN111162122A - 一种横向功率器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种横向功率器件，该横向功率器件包括栅介质层、第一槽栅、有源层以及第二槽栅，第一槽栅形成在栅介质层内，第一槽栅沿第一方向的截面为U型；有源层形成在栅介质层内，有源层沿第一方向的截面为U型，且U型的有源层位于U型的第一槽栅之内；第二槽栅形成在栅介质层内，且第二槽栅位于U型的有源层的两端之间。本发明通过第一槽栅和第二槽栅的协同作用，能够直接调控整个有源层的电子注入能力，降低横向功率器件的导通压降，从而大幅提高横向功率器件的电流能力。

Description

一种横向功率器件
技术领域
本发明涉及功率半导体器件技术领域，特别涉及一种横向功率器件。
背景技术
横向功率器件包括横向IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)和横向MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)等，其中由于横向IGBT兼具BJT(Bipolar JunctionTransistor，双极结型晶体管)的大电流能力和MOSFET的压控型驱动电路，在中高压领域备受青睐，被广泛用于电机控制、智能电网以及交通运输等众多领域。
本申请的发明人在长期的研发中发现，IGBT的大电流能力源于其漂移区的电导调制效应，而通过提高漂移区中过剩载流子浓度可以有效降低IGBT的导通压降、增大导通电流。目前提高漂移区中过剩载流子浓度的常用方式有两种：第一种方式为增大阳极PN结的注入效率，即提高阳极区P型杂质的掺杂剂量或降低N型缓冲层的掺杂浓度，该方式可以使得IGBT正向导通时在漂移区远离阴极端的一侧有着极高的载流子浓度，然而这些载流子因远离P型体区和N型漂移区形成的耐压PN结，所以在IGBT关断时无法被耗尽区内建电场快速扫出漂移区，造成关断时间长、关断损耗大等不良影响；第二种方式为采用IEGT(InjectionEnhanced Gate Transistor，电子注入增强型栅极晶体管)。以上两种方式由于器件的结构限制，其电流等级都难以提高。
发明内容
本发明提供一种横向功率器件，以解决现有技术中横向功率器件的电流能力较低的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种横向功率器件，包括：
栅介质层；
第一槽栅，形成在所述栅介质层内，其中，所述第一槽栅沿第一方向的截面为U型；
有源层，形成在所述栅介质层内，其中，所述有源层沿所述第一方向的截面为U型，且U型的所述有源层位于U型的所述第一槽栅之内；
第二槽栅，形成在所述栅介质层内，且所述第二槽栅位于U型的所述有源层的两端之间。
在一具体实施例中，进一步包括：第一电极金属层、第二电极金属层、第一栅金属层和第二栅金属层，其中，所述第一电极金属层、所述第二电极金属层、所述第一栅金属层和所述第二栅金属层分别裸露出所述栅介质层的表面，且所述第一电极金属层和所述第二电极金属层分别位于所述有源层的两端上并连接所述有源层的两端，所述第一栅金属层位于所述第一槽栅的至少一端上并连接所述第一槽栅，而所述第二栅金属层位于所述第二槽栅上并连接所述第二槽栅。
在一具体实施例中，所述有源层包括：
第一掺杂类型漂移区，其中，所述第一掺杂类型漂移区沿所述第一方向的截面为U型，其包括相对的第一端和第二端；
第二掺杂类型阱区，形成在所述第一掺杂类型漂移区的第一端上；
第一掺杂类型第一电极区和第二掺杂类型第一电极区，形成在所述第二掺杂类型阱区上，且所述第一掺杂类型第一电极区和所述第二掺杂类型第一电极区同层设置，且分别与所述第一电极金属层连接；
第二电极区，形成在所述第一掺杂类型漂移区的第二端上，并与所述第二电极金属层连接。
在一具体实施例中，所述第二电极区包括：
第一掺杂类型场截止区，形成在所述第一掺杂类型漂移区的第二端上；
第二掺杂类型第二电极区，形成在所述第一掺杂类型场截止区上，并与所述第二电极金属层连接。
在一具体实施例中，所述第二掺杂类型第二电极区嵌套在所述第一掺杂类型场截止区内。
在一具体实施例中，所述第二掺杂类型第二电极区与所述第一掺杂类型场截止区层叠设置，且所述第二掺杂类型第二电极区形成在所述第一掺杂类型场截止区上。
在一具体实施例中，所述第二电极区包括：
第一掺杂类型第二电极区，形成在所述第一掺杂类型漂移区的第二端上，并与所述第二电极金属层连接。
在一具体实施例中，所述第二槽栅的高度大于所述第二掺杂类型阱区的高度，且所述第二掺杂类型阱区沿所述第一方向的投影位于所述第二槽栅沿所述第一方向的投影之内。
在一具体实施例中，所述第一掺杂类型为N型，而所述第二掺杂类型为P型；或者所述第一掺杂类型为P型，而所述第二掺杂类型为N型。
在一具体实施例中，所述第一电极金属层、所述第二电极金属层、所述第一栅金属层和所述第二栅金属层分别沿第二方向延伸，其中，所述第二方向与所述第一方向垂直。
本发明在栅介质层内形成第一槽栅、有源层以及第二槽栅，并使得第一槽栅沿第一方向的截面呈U型，有源层沿第一方向的截面呈U型并位于第一槽栅之内，第二槽栅位于有源层的两端之间，通过第一槽栅和第二槽栅的协同作用，能够直接调控整个有源层的电子注入能力，降低横向功率器件的导通压降，从而大幅提高横向功率器件的电流能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
图1是本发明横向功率器件一实施例的剖视结构示意图；
图2是本发明横向功率器件一实施例的立体结构示意图；
图3是本发明横向功率器件另一实施例的剖视结构示意图；
图4是本发明横向功率器件另一实施例的立体结构示意图；
图5是本发明横向功率器件另一实施例的剖视结构示意图；
图6是本发明横向功率器件另一实施例的立体结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
本申请中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。而术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
参见图1和图2，本发明横向功率器件10一实施例包括栅介质层100、第一槽栅210、有源层300以及第二槽栅220，第一槽栅210形成在栅介质层100内，其中，第一槽栅210沿第一方向的截面为U型；有源层300形成在栅介质层100内，其中，有源层300沿第一方向的截面为U型，且U型的有源层300位于U型的第一槽栅210之内；第二槽栅220形成在栅介质层100内，且第二槽栅220位于U型的有源层300的两端之间。
本发明在栅介质层100内形成第一槽栅210、有源层300以及第二槽栅220，并使得第一槽栅210沿第一方向的截面呈U型，有源层300沿第一方向的截面呈U型并位于第一槽栅210之内，第二槽栅220位于有源层300的两端之间，通过第一槽栅210和第二槽栅220的协同作用，能够直接调控整个有源层300的电子注入能力，降低横向功率器件10的导通压降，从而大幅提高横向功率器件10的电流能力。
在本实施例中，横向功率器件10进一步包括第一电极金属层410、第二电极金属层420、第一栅金属层430和第二栅金属层440，其中，第一电极金属层410、第二电极金属层420、第一栅金属层430和第二栅金属层440分别裸露出栅介质层100的表面，且第一电极金属层410和第二电极金属层420分别位于有源层300的两端上并连接有源层300的两端，第一栅金属层430位于第一槽栅210的至少一端上并连接第一槽栅210，而第二栅金属层440位于第二槽栅220上并连接第二槽栅220。通过设置外露的第一电极金属层410、第二电极金属层420、第一栅金属层430和第二栅金属层440，能够实现第一槽栅210、有源层300以及第二槽栅220与其他器件的电连接。
在本实施例中，第一电极金属层410、第二电极金属层420、第一栅金属层430和第二栅金属层440分别沿第二方向延伸，使得各金属层的外露面积较大，与其他器件的电连接更加可靠。其中，第二方向与第一方向垂直。本申请中定义图1中的水平方向为第一方向，垂直于图1的截面方向为第二方向。
在本实施例中，横向功率器件10为逆导型横向IGBT。有源层300包括第一掺杂类型漂移区310、第二掺杂类型阱区320、第一掺杂类型第一电极区330、第二掺杂类型第一电极区340以及第二电极区350，其中，第一掺杂类型漂移区310沿第一方向的截面为U型，其包括相对的第一端和第二端；第二掺杂类型阱区320形成在第一掺杂类型漂移区310的第一端上；第一掺杂类型第一电极区330和第二掺杂类型第一电极区340形成在第二掺杂类型阱区320上，且第一掺杂类型第一电极区330和第二掺杂类型第一电极区340同层设置，且分别与第一电极金属层410连接；第二电极区350形成在第一掺杂类型漂移区310的第二端上，并与第二电极金属层420连接。通过将第一掺杂类型漂移区310、第二掺杂类型阱区320、第一掺杂类型第一电极区330、第二掺杂类型第一电极区340以及第二电极区350进行合理排布设置，能够使得载流子在有源层300内漂移，从而实现导通电流的功能。
在本实施例中，第二电极区350包括第一掺杂类型场截止区351和第二掺杂类型第二电极区352，第一掺杂类型场截止区351形成在第一掺杂类型漂移区310的第二端上；第二掺杂类型第二电极区352形成在第一掺杂类型场截止区351上，并与第二电极金属层420连接。
在本实施例中，第二掺杂类型第二电极区352嵌套在第一掺杂类型场截止区351内。逆导型横向IGBT既能够实现正向导通，又能够实现反向导通，应用范围较广。
在本实施例中，第二槽栅220的高度大于第二掺杂类型阱区320的高度，且第二掺杂类型阱区320沿第一方向的投影位于第二槽栅220沿第一方向的投影之内，从而使得第一掺杂类型漂移区310呈U型设置，载流子能够充分在第一掺杂类型漂移区310内漂移。在本实施例中，第一掺杂类型为N型，而第二掺杂类型为P型。在其他实施例中，第一掺杂类型也可以为P型，而第二掺杂类型也可以为N型，在此不做限制。
参见图3和图4，本发明横向功率器件10另一实施例包括栅介质层100、第一槽栅210、有源层300以及第二槽栅220，其中栅介质层100、第一槽栅210以及第二槽栅220的结构参见上述横向功率器件10实施例，在此不再赘述。
本实施例与上述实施例的不同之处在于，横向功率器件10为非逆导型横向IGBT。有源层300的第二电极区350包括第一掺杂类型场截止区353和第二掺杂类型第二电极区354，第一掺杂类型场截止区353形成在第一掺杂类型漂移区310的第二端上，第二掺杂类型第二电极区354与第一掺杂类型场截止区353层叠设置，且第二掺杂类型第二电极区354形成在第一掺杂类型场截止区353上。
非逆导型横向IGBT具备导通压降较低，导通电流较大的特点，电流能力强大，适用于各种高压设备领域。
本发明在栅介质层100内形成第一槽栅210、有源层300以及第二槽栅220，并使得第一槽栅210沿第一方向的截面呈U型，有源层300沿第一方向的截面呈U型并位于第一槽栅210之内，第二槽栅220位于有源层300的两端之间，通过第一槽栅210和第二槽栅220的协同作用，能够直接调控整个有源层300的电子注入能力，降低横向功率器件10的导通压降，从而大幅提高横向功率器件10的电流能力。
参见图5和图6，本发明横向功率器件10另一实施例包括栅介质层100、第一槽栅210、有源层300以及第二槽栅220，其中栅介质层100、第一槽栅210以及第二槽栅220的结构参见上述横向功率器件10实施例，在此不再赘述。
本实施例与上述实施例的不同之处在于，横向功率器件10为横向MOSFET。有源层300的第二电极区350包括第一掺杂类型第二电极区，形成在第一掺杂类型漂移区310的第二端上，并与第二电极金属层420连接。
横向MOSFET能够通过载流子的流动实现电流导通，从而能够应用于各种控制电路。
本发明在栅介质层100内形成第一槽栅210、有源层300以及第二槽栅220，并使得第一槽栅210沿第一方向的截面呈U型，有源层300沿第一方向的截面呈U型并位于第一槽栅210之内，第二槽栅220位于有源层300的两端之间，通过第一槽栅210和第二槽栅220的协同作用，能够直接调控整个有源层300的电子注入能力，降低横向功率器件10的导通压降，从而大幅提高横向功率器件10的电流能力。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种横向功率器件，其特征在于，包括：
栅介质层；
第一槽栅，形成在所述栅介质层内，其中，所述第一槽栅沿第一方向的截面为U型；
有源层，形成在所述栅介质层内，其中，所述有源层沿所述第一方向的截面为U型，且U型的所述有源层位于U型的所述第一槽栅之内；
第二槽栅，形成在所述栅介质层内，且所述第二槽栅位于U型的所述有源层的两端之间。
2.根据权利要求1所述的横向功率器件，其特征在于，进一步包括：第一电极金属层、第二电极金属层、第一栅金属层和第二栅金属层，其中，所述第一电极金属层、所述第二电极金属层、所述第一栅金属层和所述第二栅金属层分别裸露出所述栅介质层的表面，且所述第一电极金属层和所述第二电极金属层分别位于所述有源层的两端上并连接所述有源层的两端，所述第一栅金属层位于所述第一槽栅的至少一端上并连接所述第一槽栅，而所述第二栅金属层位于所述第二槽栅上并连接所述第二槽栅。
3.根据权利要求2所述的横向功率器件，其特征在于，所述有源层包括：
第一掺杂类型漂移区，其中，所述第一掺杂类型漂移区沿所述第一方向的截面为U型，其包括相对的第一端和第二端；
第二掺杂类型阱区，形成在所述第一掺杂类型漂移区的第一端上；
第一掺杂类型第一电极区和第二掺杂类型第一电极区，形成在所述第二掺杂类型阱区上，且所述第一掺杂类型第一电极区和所述第二掺杂类型第一电极区同层设置，且分别与所述第一电极金属层连接；
第二电极区，形成在所述第一掺杂类型漂移区的第二端上，并与所述第二电极金属层连接。
4.根据权利要求3所述的横向功率器件，其特征在于，所述第二电极区包括：
第一掺杂类型场截止区，形成在所述第一掺杂类型漂移区的第二端上；
第二掺杂类型第二电极区，形成在所述第一掺杂类型场截止区上，并与所述第二电极金属层连接。
5.根据权利要求4所述的横向功率器件，其特征在于，所述第二掺杂类型第二电极区嵌套在所述第一掺杂类型场截止区内。
6.根据权利要求4所述的横向功率器件，其特征在于，所述第二掺杂类型第二电极区与所述第一掺杂类型场截止区层叠设置，且所述第二掺杂类型第二电极区形成在所述第一掺杂类型场截止区上。
7.根据权利要求3所述的横向功率器件，其特征在于，所述第二电极区包括：
第一掺杂类型第二电极区，形成在所述第一掺杂类型漂移区的第二端上，并与所述第二电极金属层连接。
8.根据权利要求3所述的横向功率器件，其特征在于，所述第二槽栅的高度大于所述第二掺杂类型阱区的高度，且所述第二掺杂类型阱区沿所述第一方向的投影位于所述第二槽栅沿所述第一方向的投影之内。
9.根据权利要求3-8任意一项所述的横向功率器件，其特征在于，所述第一掺杂类型为N型，而所述第二掺杂类型为P型；或者所述第一掺杂类型为P型，而所述第二掺杂类型为N型。
10.根据权利要求2所述的横向功率器件，其特征在于，所述第一电极金属层、所述第二电极金属层、所述第一栅金属层和所述第二栅金属层分别沿第二方向延伸，其中，所述第二方向与所述第一方向垂直。
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