CN112750901A - 一种逆导型igbt器件及智能功率模块 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种逆导型IGBT器件及智能功率模块。该逆导型IGBT器件集成有IGBT器件和快速恢复二极管，其中，快速恢复二极管的第一掺杂类型电极区和/或第二掺杂类型电极区采用热电材料形成。通过这种方式，能够提高逆导型IGBT的主动散热性能。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，特别是涉及一种逆导型绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)器件及智能功率模块。
背景技术
智能功率模块是一种由高速、低功耗的IGBT、栅极驱动以及相应的保护电路构成的半导体器件，广泛应用于家用电器、轨道交通、电力系统等领域。
在应用中，IGBT通常需要搭配续流二极管(Free Wheeling Diode，FWD)使用，以确保安全稳定。逆导型IGBT成功地将FWD集成在IGBT内部；相对于传统的IGBT，逆导型IGBT节省了芯片面积、封装、测试费用，降低了器件成本。此外，它还具有低损耗、良好的软开关特性及短路特性等。
本申请的发明人在长期的研发过程中发现，现有的逆导型IGBT不具有热电主动散热能力，需要通过散热片等散热装置进行散热。
发明内容
本申请主要解决的技术问题是如何提高逆导型IGBT的主动散热性能。
为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种逆导型IGBT器件。该逆导型IGBT器件集成有IGBT器件和快速恢复二极管，其中，快速恢复二极管的第一掺杂类型电极区和/或第二掺杂类型电极区采用热电材料形成。
在一具体实施例中，逆导型IGBT器件包括：半导体衬底、设置在半导体衬底的一表面上的集电极、设置在半导体衬底的相对另一表面上的发射极和绝缘层、以及设置在绝缘层上的栅电极；半导体衬底包括：第一掺杂类型发射区、第二掺杂类型基区、第一掺杂类型漂移区、第一掺杂类型缓冲区、第一掺杂类型短路区、第二掺杂类型集电区，其中，发射极与第一掺杂类型发射区和第二掺杂类型基区连接，第一掺杂类型漂移区位于第二掺杂类型基区远离发射极的一侧，第一掺杂类型缓冲区位于第一掺杂类型漂移区远离第二掺杂类型基区的一侧，第二掺杂类型集电区和第一掺杂类型短路区位于第一掺杂类型缓冲区与集电极之间，且第二掺杂类型集电区和第一掺杂类型短路区与第一掺杂类型缓冲区相邻设置；其中，第二掺杂类型基区的部分构成快速恢复二极管的第二掺杂类型电极区，第一掺杂类型短路区和部分第一掺杂类型缓冲区构成快速恢复二极管的第一掺杂类型电极区。
在一具体实施例中，部分第一掺杂类型缓冲区和第一掺杂类型短路区采用第一掺杂类型热电材料形成；第二掺杂类型基区包括与第一掺杂类型短路区对应设置的第一区域和与第二掺杂类型集电区对应设置的第二区域，其中，第一区域采用第二掺杂类型热电材料形成。
在一具体实施例中，第一区域通过挖槽，并填充第二掺杂类型热电材料而形成。
在一具体实施例中，第一区域的深度大于第二区域的深度。
在一具体实施例中，第一区域的深度与第二区域的深度的差值为1-2μm。
在一具体实施例中，热电材料包括PbTe、ZnSb、SiGe中任意一种或任意组合的化合物或者固溶体。
为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种智能功率模块。该智能功率模块包括上述逆导型IGBT器件。
在一具体实施例中，逆导型IGBT器件的集电极和发射极通过敷铜和引脚引出。
在一具体实施例中，敷铜的厚度大于或者等于逆导型IGBT器件的厚度；敷铜的面积大于或者等于逆导型IGBT器件面积的1.2倍；引脚的宽度大于或者等于敷铜的最大边长的20％。
本申请实施例的有益效果是：本申请实施例逆导型IGBT器件集成有IGBT器件和快速恢复二极管，其中，快速恢复二极管的第一掺杂类型电极区和/或第二掺杂类型电极区采用热电材料形成。通过这种方式，将恢复二极管采用主动散热结构，因恢复二极管的电极区与逆导型IGBT器件的电极区(发射极、集电极)相连接，因此，恢复二极管的电极区的热电材料能够将逆导型IGBT器件的电极区的热量导出，从而能够提高逆导型IGBT的主动散热性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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。
图1是本申请逆导型IGBT器件一实施例的结构示意图；
图2是本申请逆导型IGBT器件一实施例的结构示意图；
图3是本申请逆导型IGBT器件一实施例的结构示意图；
图4是本申请智能功率模块一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本申请作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本申请，但不对本申请的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本申请的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请首先提出一种逆导型IGBT器件，如图1所示，图1是本申请逆导型IGBT器件一实施例的结构示意图。本实施例的逆导型IGBT器件10集成有IGBT器件110和快速恢复二极管120，其中，快速恢复二极管120的第一掺杂类型电极区A和第二掺杂类型电极区B采用热电材料形成。
其中，本实施例的第一掺杂类型为N型掺杂，第二掺杂类型为P型掺杂，即本实施例的逆导型IGBT器件10为N沟道IGBT。在其它实施例中，第一掺杂类型还可以为P型掺杂，第二掺杂类型还可以为N型掺杂，即逆导型IGBT器件还可以为P沟道IGBT。
区别于现有技术，因恢复二极管120的第一掺杂类型电极区A和第二掺杂类型电极区B分别与逆导型IGBT器件10的电极区(发射极230、集电极220)相连接，因此，恢复二极管120的电极区的热电材料能够将逆导型IGBT器件10的电极区的热量导出，从而能够提高逆导型IGBT器件10的主动散热性能。
其中，本实施例的热电材料可以包括PbTe、ZnSb、SiGe中任意一种或任意组合的化合物或者固溶体。
这些热电材料的热电效应较大，能快速进行热电转换，主动散热性能好。
可选地，本实施例逆导型IGBT器件10包括：半导体衬底210、设置在半导体衬底210的一表面上的集电极220、设置在半导体衬底210的相对另一表面上的发射极230和绝缘层240、以及设置在绝缘层240上的栅电极250。
其中，半导体衬底210包括：第一掺杂类型发射区211、第二掺杂类型基区212、第一掺杂类型漂移区213、第一掺杂类型缓冲区214、第一掺杂类型短路区215、第二掺杂类型集电区216，其中，发射极230与第一掺杂类型发射区211和第二掺杂类型基区212连接，第一掺杂类型漂移区213位于第二掺杂类型基区212远离发射极230的一侧，第一掺杂类型缓冲区214位于第一掺杂类型漂移区213远离第二掺杂类型基区212的一侧，第二掺杂类型集电区216和第一掺杂类型短路区215位于第一掺杂类型缓冲区214与集电极220之间，且第二掺杂类型集电区216和第一掺杂类型短路区215与第一掺杂类型缓冲区214连接；其中，第二掺杂类型基区212的部分构成快速恢复二极管120的第二掺杂类型电极区B，第一掺杂类型短路区215和部分第一掺杂类型缓冲区214构成快速恢复二极管120的第一掺杂类型电极区A。
其中，第二掺杂类型集电区216和第一掺杂类型短路区215与集电极220连接。
其中，部分第一掺杂类型缓冲区214是指与第一掺杂类型短路区215对应设置的区域，即该区域在逆导型IGBT器件10的深度方向Y与第一掺杂类型短路区215对齐设置。
其中，本实施例的第一掺杂类型发射区211为N+发射区、第二掺杂类型基区212为P基区、第一掺杂类型漂移区213为N漂移区、第一掺杂类型缓冲区214为N缓冲区、第一掺杂类型短路区215为N+短路区、第二掺杂类型集电区216为P+集电区。
逆导型IGBT器件10正向导通时，P基区的导电通道J1开启。发射极230通过N+发射区、P基区向N漂移区注入高浓度电子，并通过N缓冲区、P+集电区，从而形成电子电流；同时，由于P+集电区与N缓冲区之间的PN结J2正偏，集电极220通过P+集电区、N缓冲区向左侧的N漂移区注入高浓度空穴，并与N漂移区的高浓度电子复合，形成空穴电流。电子电流与空穴电流之和，构成了逆导型IGBT器件10的饱和电流能力。而当逆导型IGBT器件10关断时，P基区的导电通道J1关闭，PN结J2反偏，逆导型IGBT器件10的导通电流截止；同时，由于N缓冲区与P基区之间的PN结J3正偏，空穴电流通过N+发射区、P基区扩散到N缓冲区的右侧，并通过N缓冲区、N+短路区以及集电极形成空穴电流，电子电流的路径正好相反。
通过这种方式，逆导型IGBT器件10能够在关断时，通过快速恢复二极管120逆向导通，具有正向导通个逆向导通特性。
可选地，为了不影响IGBT器件10中半导体衬底210的结构及性能，第一掺杂类型缓冲区214和第一掺杂类型短路区215采用第一掺杂类型热电材料形成，例如N+热电材料；第二掺杂类型基区212包括与第一掺杂类型短路区215对应设置的第一区域(图未标)和与第二掺杂类型集电区216对应设置的第二区域(图未标)，其中，第一区域采用第二掺杂类型热电材料形成，例如P+热电材料。
通过上述分析可知，本实施例的第一掺杂类型缓冲区214和第一掺杂类型短路区215采用第一掺杂类型热电材料形成，第二掺杂类型基区212的第一区域采用第二掺杂类型热电材料形成，即热电材料的掺杂类型与该区域原本的掺杂类型相同，因此不会改变半导体衬底210的结构及掺杂类型，因此不会不影响IGBT器件10的电学性能。
该第一区域在逆导型IGBT器件10的深度方向Y与第一掺杂类型短路区215对齐设置，该第二区域在逆导型IGBT器件10的深度方向Y与第二掺杂类型集电区216对齐设置。
可选地，该第一区域通过在第二掺杂类型基区212进行挖槽，以形成凹槽，并在该凹槽中填充第二掺杂类型热电材料而形成。具体地，在半导体衬底210靠近发射极230的一表面进行挖槽。
由上述分析可知，本实施例的该第一区域在逆导型IGBT器件10的深度方向Y与第一掺杂类型短路区215对齐设置，能够便于挖槽工艺的实施。
类似的，在将部分第一掺杂类型缓冲区214和第一掺杂类型短路区215采用第一掺杂类型热电材料形成时，可以在半导体衬底210靠近集电极220的一表面进行挖槽，以形成凹槽，并在该凹槽中填充第一掺杂类型热电材料。其中，该凹槽的深度等于第一掺杂类型缓冲区214深度和第一掺杂类型短路区215的深度之和。
在其它实施例中，该凹槽的深度，即第一掺杂类型热电材料的厚度可以小于第一掺杂类型缓冲区214和第一掺杂类型短路区215的深度之和。
本实施例采用挖槽及填充方式形成热电材料，简单易行，不会影响半导体衬底210的其它区域的结构，因此不会不影响IGBT器件10的电学性能。
在其它实施例中，若采用其它工艺，例如3D打印代替上述挖槽工艺。
对于N沟道IGBT，闩锁效应是指构成N沟道MOS的NPN晶体管，与PN结构成的PNP晶体管共同构成的寄生晶闸管效应。该效应将导致栅极失去对IGBT的控制作用，从而烧毁器件。
为抑制闩锁效应，在另一实施例中，如图2所示，图2是本申请逆导型IGBT器件一实施例的结构示意图。本实施例逆导型IGBT器件10与上述实施例的区别在于：本实施例的与第一掺杂类型短路区215对应设置的第一区域的深度H1大于与第二掺杂类型集电区216对应设置的第二区域的深度H2，能够抑制闩锁效应。
第一区域的深度H1与第二区域的深度H2的差值限定为1-2μm，能够使逆导型IGBT器件10产生明显的闩锁效应，且能避免对半导体衬底210的其它区域的结构产生影响，避免影响IGBT器件10的电学性能。
其中，例如对于60μm厚度的IGBT器件10，第一区域的深度H1与第二区域的深度H2的差值约为1-2μm，例如，1μm、1.2μm、1.4μm、1.6μm、1.8μm及2μm等。
由上述分析可知，逆导型IGBT器件10的快速恢复二极管120的第一掺杂类型电极区A和第二掺杂类型电极区B采用热电材料形成。为进一步提高逆导型IGBT器件10的主动散热性能，在另一实施例中，如图3所示，图3是本申请逆导型IGBT器件一实施例的结构示意图。本实施例逆导型IGBT器件10与上述实施例的区别在于：第一掺杂类型发射区211的部分区域C采用了热电材料。
需要注意的是，第一掺杂类型发射区211、第二掺杂类型基区212、第一掺杂类型缓冲区214和/或第一掺杂类型短路区215的全部或部分采用热电材料均属于本申请的保护方案。
本申请进一步提出一种智能功率模块，如图4所示，图4是本申请智能功率模块一实施例的结构示意图。本实施例智能功率模块40至少包括逆导型IGBT器件10，其中，本实施例的逆导型IGBT器件10与上述实施例的逆导型IGBT器件10类似，这里不赘述。
智能功率模块40是一种先进的功率开关器件，具有大功率晶体管的高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点，以及场效应晶体管的高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。而且智能功率模块内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用起来方便，不仅减小了系统的体积以及开发时间，也大大增强了系统的可靠性。
可选地，本实施例的逆导型IGBT器件10的集电极(图未示)通过敷铜421和引脚411引出，能够将集电极的热量导出至逆导型IGBT器件10外部的冷端，以实现散热；发射极(图未示)通过发射极绑线43、敷铜422和引脚412引出，能够将发射极的热量导出至逆导型IGBT器件10外部的冷端，以实现散热；栅电极(图未示)通过栅极绑线44与控制芯片45连接。
其中，敷铜421的厚度和敷铜422的厚度大于或者等于逆导型IGBT器件10的厚度；敷铜421的面积和敷铜422的面积大于或者等于逆导型IGBT器件10面积的1.2倍。
通过这种方式，能够通过厚度及面积较大的敷铜加速逆导型IGBT器件10的散热速度；且便于敷铜工艺的实现及控制逆导型IGBT器件10的尺寸，因为敷铜的厚度/面积与逆导型IGBT器件10的厚度/面积相差太小，不便于工艺实现，相差太大则会增加逆导型IGBT器件10的尺寸。
引脚411的宽度大于或者等于敷铜421的最大边长的20％，引脚411的厚度可以保持与敷铜421的厚度一致；引脚412的宽度大于或者等于敷铜422的最大边长的20％，引脚412的厚度可以保持与敷铜422的厚度一致。
引脚厚度与敷铜厚度一致，不会增加逆导型IGBT器件10的厚度；引脚宽度大于敷铜的最大边长的20％，能够加速敷铜的散热速度，且避免明显增加布线尺寸，节约成本。
在其它实施例中，还可以采用其它导热材料代替铜，如金、铝、纳等。
进一步地，发射极也需要更大尺寸的发射极绑线43或者多个发射极绑线43。
例如，对于60μm厚度的逆导型IGBT器件10，敷铜421的厚度需要不小于60μm，敷铜421的面积不小于逆导型IGBT器件10面积的1.2倍；引脚411的宽度不小于敷铜421的最大边长的20％。
区别于现有技术，本申请实施例逆导型IGBT器件集成有IGBT器件和快速恢复二极管，其中，快速恢复二极管的第一掺杂类型电极区和/或第二掺杂类型电极区采用热电材料形成。通过这种方式，将恢复二极管采用主动散热结构，因恢复二极管的电极区与逆导型IGBT器件的电极区(发射极、集电极)相连接，因此，恢复二极管的电极区的热电材料能够将逆导型IGBT器件的电极区的热量导出，从而能够提高逆导型IGBT的主动散热性能。
本申请实施例通过将逆导型IGBT器件中的快恢复二极管设置成热电主动散热结构，能够改善逆导型IGBT器件的热稳定性，提高逆导型IGBT器件的电流能力。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请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，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种逆导型IGBT器件，其特征在于，所述逆导型IGBT器件集成有IGBT器件和快速恢复二极管，其中，所述快速恢复二极管的第一掺杂类型电极区和/或第二掺杂类型电极区采用热电材料形成。
2.根据权利要求1所述的逆导型IGBT器件，其特征在于，所述逆导型IGBT器件包括：半导体衬底、设置在所述半导体衬底的一表面上的集电极、设置在所述半导体衬底的相对另一表面上的发射极和绝缘层、以及设置在所述绝缘层上的栅电极；
所述半导体衬底包括：第一掺杂类型发射区、第二掺杂类型基区、第一掺杂类型漂移区、第一掺杂类型缓冲区、第一掺杂类型短路区、第二掺杂类型集电区，其中，所述发射极与所述第一掺杂类型发射区和第二掺杂类型基区连接，所述第一掺杂类型漂移区位于所述第二掺杂类型基区远离所述发射极的一侧，所述第一掺杂类型缓冲区位于所述第一掺杂类型漂移区远离所述第二掺杂类型基区的一侧，所述第二掺杂类型集电区和所述第一掺杂类型短路区位于所述第一掺杂类型缓冲区与所述集电极之间，且所述第二掺杂类型集电区和所述第一掺杂类型短路区与所述第一掺杂类型缓冲区连接；
其中，所述第二掺杂类型基区的部分构成所述快速恢复二极管的所述第二掺杂类型电极区，所述第一掺杂类型短路区和部分所述第一掺杂类型缓冲区构成所述快速恢复二极管的所述第一掺杂类型电极区。
3.根据权利要求1所述的逆导型IGBT器件，其特征在于，所述部分第一掺杂类型缓冲区和所述第一掺杂类型短路区采用第一掺杂类型热电材料形成；
所述第二掺杂类型基区包括与所述第一掺杂类型短路区对应设置的第一区域和与所述第二掺杂类型集电区对应设置的第二区域，其中，所述第一区域采用第二掺杂类型热电材料形成。
4.根据权利要求3所述的逆导型IGBT器件，其特征在于，所述第一区域通过挖槽，并填充第二掺杂类型热电材料而形成。
5.根据权利要求4所述的逆导型IGBT器件，其特征在于，所述第一区域的深度大于所述第二区域的深度。
6.根据权利要求5所述的逆导型IGBT器件，其特征在于，所述第一区域的深度与所述第二区域的深度的差值为1-2μm。
7.根据权利要求1所述的逆导型IGBT器件，其特征在于，所述热电材料包括PbTe、ZnSb、SiGe中任意一种或任意组合的化合物或者固溶体。
8.一种智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块包括权利要求1至7任一项所述的逆导型IGBT器件。
9.根据权利要求8所述的智能功率模块，其特征在于，所述逆导型IGBT器件的所述集电极和所述发射极通过敷铜和引脚引出。
10.根据权利要求8所述的智能功率模块，其特征在于，所述敷铜的厚度大于或者等于所述逆导型IGBT器件的厚度；所述敷铜的面积大于或者等于所述逆导型IGBT器件面积的1.2倍；所述引脚的宽度大于或者等于所述敷铜的最大边长的20％。
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