CN112002756A - 带有igbt单元和电流电压感测及控制单元的半导体器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种带有IGBT单元和电流电压感测及控制单元的半导体器件，该半导体器件包括IGBT单元和电流电压感测及控制单元，两个单元共用部分器件结构，共用结构包括第一导电类型半导体集电极区、位于第一导电类型半导体集电极区上表面的第二导电类型半导体缓冲层、第二导电类型半导体缓冲层上表面的第二导电类型半导体漂移区；本发明在电流电压感测及控制单元中设置电流、电压采样感测区和采样控制区，其中电压采样与电流采样所使用的感测区与控制区相反，感测电极与采样电极在两种情况下也互为相反使用，对集电极电压和流经器件的电流实现可控的采样。

Description

带有IGBT单元和电流电压感测及控制单元的半导体器件
技术领域
本发明涉及功率半导体技术，具体涉及一种带有IGBT单元和电流电压感测及控制单元的半导体器件。
背景技术
随着电力电子技术向高压、功率集成电路和系统领域的快速发展，对电路和系统的实时保护成为电力电子领域中非常关键的一环，要实现对电路和系统的实时保护，最重要的是对高压、功率集成电路输入/输出性能和负载工作情况等进行检测。
功率半导体器件在实际应用中面临诸多失效情况，如开关瞬态过程中的输入过压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、电阻分压法、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。
本发明提出一种带有IGBT单元和电流电压感测及控制单元的半导体器件，在电流电压感测及控制单元中设置电流电压采样感测区和采样控制区，对集电极电压和流经器件的电流实现采样，且采样可控。
发明内容
本发明的目的就是针对上述传统采样技术存在的问题，提出一种带有IGBT单元和电流电压感测及控制单元的半导体器件。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种带有IGBT单元和电流电压感测及控制单元的半导体器件，该半导体器件包括IGBT单元和电流电压感测及控制单元，两个单元共用部分器件结构，共用结构包括第一导电类型半导体集电极区14、位于第一导电类型半导体集电极区14上表面的第二导电类型半导体缓冲层13、所述第二导电类型半导体缓冲层13上表面的第二导电类型半导体漂移区12；所述第一导电类型半导体集电极区14下表面连接有集电极金属电极15；
IGBT单元还包括位于第二导电类型半导体漂移区12内部上表面的第一导电类型半导体基区8；所述第一导电类型半导体基区8内部上表面具有第一导电类型半导体发射极区6和第二导电类型半导体发射极区7；所述第一导电类型半导体发射极区6和第二导电类型半导体发射极区7侧面接触；所述第一导电类型半导体发射极区6和第二导电类型半导体发射极区7上表面有发射极金属电极1；所述第一导电类型半导体基区8上表面具有氧化层3以及位于氧化层3中的栅电极2；
电流电压感测及控制单元还包括位于第二导电类型半导体漂移区12内部上表面的第一导电类型半导体体区10和第一导电类型半导体区9；所述第一导电类型半导体体区10和第一导电类型半导体区9侧面接触；所述第一导电类型半导体体区10内部上表面具有第二导电类型半导体区11；所述第一导电类型半导体区9上表面接有第二金属电极4；所述第二导电类型半导体区11上表面接有第一金属电极5。
作为优选方式，电流电压感测及控制单元位于第二导电类型半导体漂移区12内部上表面，嵌在相邻IGBT单元之间。
作为优选方式，第一导电类型半导体区9的结深比IGBT单元中第一导电类型半导体基区8结深更深；第一导电类型半导体体区10结深比第一导电类型半导体区9浅。
作为优选方式，第一导电类型半导体体区10下表面长度大于等于第二导电类型半导体区11下表面长度；第一导电类型半导体区9的下表面长度大于第二导电类型半导体区11下表面长度。
作为优选方式，第一导电类型半导体体区10掺杂方式为非均匀掺杂；第一导电类型半导体体区10浓度低于第一导电类型半导体区9；第二导电类型半导体区11浓度高于第一导电类型半导体区9。
作为优选方式，位于氧化层3上表面的栅电极2覆盖部分第一导电类型半导体区9。
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；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。
作为优选方式，第一导电类型半导体或者第二导带类型半导体的材料为单晶硅、或碳化硅或者氮化镓。
本发明的有益效果为：本发明提出一种带有IGBT单元和电流电压感测及控制单元的半导体器件，在电流电压感测及控制单元中设置电流、电压采样感测区和采样控制区，其中电压采样与电流采样所使用的感测区与控制区相反，感测电极与采样电极在两种情况下也互为相反使用，对集电极电压和流经器件的电流实现可控的采样。当器件进行电流采样时，检测流过电流采样感测区的电流，来反映流经器件的电流，并通过改变电流采样控制区的电压来改变采样电流的大小，实现一个可控制的电流采样。在器件进行电压采样时，当集电极电压增大到某一电压时，电压采样感测区的电压开始随着集电极电压的进一步增加而增加，检测电压采样感测区的电压，来反映集电极电压，并通过改变电压采样控制区的电压来改变电压采样的起始点，实现一个可控制的电压采样。
附图说明
图1是本发明提供的一种带有IGBT单元和电流电压感测及控制单元的半导体器件的结构示意图；
图2是本发明提供的一种带有IGBT单元和电流电压感测及控制单元的半导体器件在电流采样时的结构原理图；
图3是本发明提供的一种带有IGBT单元和电流电压感测及控制单元的半导体器件在电压采样时的结构原理图；
图4是本发明提供的一种带有IGBT单元和电流电压感测及控制单元的半导体器件电压采样特性示意图；
图5是本发明提供的一种带有IGBT单元和电流电压感测及控制单元的半导体器件电流采样特性示意图。
1为发射极金属电极，2为栅电极，3为氧化层，4为第二金属电极，5为第一金属电极，6为第一导电类型半导体发射极区，7为第二导电类型半导体发射极区，8为第一导电类型半导体基区，9为第一导电类型半导体区，10为第一导电类型半导体体区，11为第二导电类型半导体区，12为第二导电类型半导体漂移区，13为第二导电类型半导体缓冲层，14为第一导电类型半导体集电极区，15为集电极金属电极。
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。
如图1所示，本发明提供一种带有IGBT单元和电流电压感测及控制单元的半导体器件，该半导体器件包括IGBT单元和电流电压感测及控制单元，两个单元共用部分器件结构，共用结构包括第一导电类型半导体集电极区14、位于第一导电类型半导体集电极区14上表面的第二导电类型半导体缓冲层13、所述第二导电类型半导体缓冲层13上表面的第二导电类型半导体漂移区12；所述第一导电类型半导体集电极区14下表面连接有集电极金属电极15；IGBT单元还包括位于第二导电类型半导体漂移区12内部上表面的第一导电类型半导体基区8；所述第一导电类型半导体基区8内部上表面具有第一导电类型半导体发射极区6和第二导电类型半导体发射极区7；所述第一导电类型半导体发射极区6和第二导电类型半导体发射极区7侧面接触；所述第一导电类型半导体发射极区6和第二导电类型半导体发射极区7上表面有发射极金属电极1；所述第一导电类型半导体基区8上表面具有氧化层3以及位于氧化层3中的栅电极2；
电流电压感测及控制单元还包括位于第二导电类型半导体漂移区12内部上表面的第一导电类型半导体体区10和第一导电类型半导体区9；所述第一导电类型半导体体区10和第一导电类型半导体区9侧面接触；所述第一导电类型半导体体区10内部上表面具有第二导电类型半导体区11；所述第一导电类型半导体区9上表面接有第二金属电极4；所述第二导电类型半导体区11上表面接有第一金属电极5。
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。
第一导电类型半导体或者第二导带类型半导体的材料为单晶硅、或碳化硅或者氮化镓。
电流电压感测及控制单元位于第二导电类型半导体漂移区12内部上表面，嵌在相邻IGBT单元之间。
位于氧化层3上表面的栅电极2覆盖部分第一导电类型半导体区9。
具体的，第一导电类型半导体区9的结深比IGBT单元中第一导电类型半导体基区8结深更深；第一导电类型半导体体区10结深比第一导电类型半导体区9浅。
具体的，第一导电类型半导体体区10下表面长度大于等于第二导电类型半导体区11下表面长度；第一导电类型半导体区9的下表面长度大于第二导电类型半导体区11下表面长度。
具体的，第一导电类型半导体体区10掺杂方式为非均匀掺杂；第一导电类型半导体体区10浓度低于第一导电类型半导体区9；第二导电类型半导体区11浓度高于第一导电类型半导体区9。
以第一导电类型是p型掺杂为例，说明本发明的工作原理：
如图2所示，当器件进行电流采样时，第二金属电极4接电阻，发射极金属电极1接地，栅电极2接正电压，集电极接正电压，在IGBT单元开启状态下增加集电极电压，检测流过第二金属电极4的电流，来反映流经器件的电流，并通过改变第一金属电极5的电压来控制采样电流的大小，实现一个可控制的电流采样。如图3所示，在器件进行电压采样时，第一金属电极5接电阻，发射极金属电极1和栅电极2接地，集电极接正电压，在IGBT单元阻断状态下改变集电极电压，当集电极电压增大到某一电压时，第一金属电极5的电压开始随着集电极电压的进一步增加而增加，检测第一金属电极5的电压，来反映集电极电压，并通过改变第二金属电极4的电压来控制电压采样的起始点，实现一个可控制的电压采样。
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，仿真结果发现：在仿真中，第一金属电极5接电阻，发射极金属电极1和栅电极2接地，集电极接正电压，在IGBT单元阻断状态下改变集电极电压，得到如图4所示的电压采样图像，第二金属电极4为0V，当集电极电压增加到某一电压时，第一金属电极5的采样电压也开始随之增加，且采样电压随集电极电压呈近似线性变化的；当第二金属电极4电压下降，第一金属电极5的采样电压起始点会升高。在仿真中，第二金属电极4接电阻，发射极金属电极1和第一金属电极5接地，栅电极2接正电压，集电极接正电压，在IGBT单元开启状态下增加集电极电压，得到如图5所示的电流采样图像，当集电极电流增加时，第二金属电极4的采样电流也随之增加，且采样电流与流经器件的电流近似呈现一定的比例关系。
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)

1.一种带有IGBT单元和电流电压感测及控制单元的半导体器件，其特征在于：该半导体器件包括IGBT单元和电流电压感测及控制单元，两个单元共用部分器件结构，共用结构包括第一导电类型半导体集电极区(14)、位于第一导电类型半导体集电极区(14)上表面的第二导电类型半导体缓冲层(13)、所述第二导电类型半导体缓冲层(13)上表面的第二导电类型半导体漂移区(12)；所述第一导电类型半导体集电极区(14)下表面连接有集电极金属电极(15)；
IGBT单元还包括位于第二导电类型半导体漂移区(12)内部上表面的第一导电类型半导体基区(8)；所述第一导电类型半导体基区(8)内部上表面具有第一导电类型半导体发射极区(6)和第二导电类型半导体发射极区(7)；所述第一导电类型半导体发射极区(6)和第二导电类型半导体发射极区(7)侧面接触；所述第一导电类型半导体发射极区(6)和第二导电类型半导体发射极区(7)上表面有发射极金属电极(1)；所述第一导电类型半导体基区(8)上表面具有氧化层(3)以及位于氧化层(3)中的栅电极(2)；
电流电压感测及控制单元还包括位于第二导电类型半导体漂移区(12)内部上表面的第一导电类型半导体体区(10)和第一导电类型半导体区(9)；所述第一导电类型半导体体区(10)和第一导电类型半导体区(9)侧面接触；所述第一导电类型半导体体区(10)内部上表面具有第二导电类型半导体区(11)；所述第一导电类型半导体区(9)上表面接有第二金属电极(4)；所述第二导电类型半导体区(11)上表面接有第一金属电极(5)。
2.根据权利要求1所述的一种带有IGBT单元和电流电压感测及控制单元的半导体器件，其特征在于：电流电压感测及控制单元位于第二导电类型半导体漂移区(12)内部上表面，嵌在相邻IGBT单元之间。
3.根据权利要求1或2所述的一种带有IGBT单元和电流电压感测及控制单元的半导体器件，其特征在于：第一导电类型半导体区(9)的结深比IGBT单元中第一导电类型半导体基区(8)结深更深；第一导电类型半导体体区(10)结深比第一导电类型半导体区(9)浅。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种带有IGBT单元和电流电压感测及控制单元的半导体器件，其特征在于：第一导电类型半导体体区(10)下表面长度大于等于第二导电类型半导体区(11)下表面长度；第一导电类型半导体区(9)的下表面长度大于第二导电类型半导体区(11)下表面长度。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种带有IGBT单元和电流电压感测及控制单元的半导体器件，其特征在于：第一导电类型半导体体区(10)掺杂方式为非均匀掺杂；第一导电类型半导体体区(10)浓度低于第一导电类型半导体区(9)；第二导电类型半导体区(11)浓度高于第一导电类型半导体区(9)。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种带有IGBT单元和电流电压感测及控制单元的半导体器件，其特征在于：位于氧化层(3)上表面的栅电极(2)覆盖部分第一导电类型半导体区(9)。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的一种带有IGBT单元和电流电压感测及控制单元的半导体器件，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；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。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的一种带有IGBT单元和电流电压感测及控制单元的半导体器件，其特征在于：第一导电类型半导体或者第二导带类型半导体的材料为单晶硅、或碳化硅或者氮化镓。
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