CN114203810A - 一种增加背面栅降低关断损耗的超高压igbt结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增加背面栅降低关断损耗的超高压IGBT结构，该结构在常规超高压IGBT结构的基础上，在背面增添栅极。在IGBT正向导通时，正面栅接高电压而背面栅不工作，器件工作在双极导电模式下，保持IGBT低导通压降的优点。当器件关断时，正面栅接低电压而背面栅接高电压开启，背面栅开启所形成的电子通路会抑制P型发射区的空穴注入，并为N型基区中载流子的抽取提供通路。达到抑制关断过程中的电流拖尾现象的效果，从而有效降低器件在关断过程中产生的损耗，为器件在超高压环境下工作提供可能。

Description

一种增加背面栅降低关断损耗的超高压IGBT结构
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体涉及一种增加背面栅降低关断损耗的超高压IGBT结构。
背景技术
IGBT，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。它的驱动功率小而饱和压降低，非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。随着新能源，混合动力汽车以及新型工业设备等领域的不断发展，其应用中对于高效的电源控制与电源分配的需求，使得IGBT模块的应用市场日渐增大。而超高压IGBT的发展因受到多种因素的限制而进度缓慢。
IGBT在导通时，P型发射区和P型集电区都会向N型漂移区注入大量空穴，增加器件的电导率，降低导通损耗。但在IGBT关断时，空穴的注入使得载流子无法快速完成消除，会造成电流的拖尾现象。尤其针对超高耐压的IGBT器件，为了达到高耐压，器件的厚度增大，N型漂移区的厚度显著增大。所以电流拖尾无疑会对超高压IGBT器件的关断损耗产生更严重的影响。
发明内容
针对降低超高压IGBT器件关断损耗的需求，本发明提供了一种增加背面栅降低关断损耗的超高压IGBT结构。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种增加背面栅降低关断损耗的超高压IGBT结构，其元胞结构包括P型发射区(1)和N型缓冲层(2)，位于缓冲层(2)上方的N型漂移区(3)，P型基区(4)，所述P型基区(4)上设有P型高掺杂区(5)和N+型发射区(6)，器件背面有由N型发射区(7)和PolySi、SiO2组成的背面栅结构。
本发明的技术方案在常规超高压IGBT结构的基础上，在背面增添一个栅极，并独立控制正面栅与背面栅的工作。
进一步地，在IGBT导通时正面栅接高电位开启，背面栅接低电位，IGBT关断时正面栅接低电位关断，背面栅接高电位开启。
进一步地，所提出的IGBT器件厚度为1500μm，使得器件的耐压可以达到13kV。
进一步地，在IGBT关断时，由背面栅开启的N型沟道将抑制P型发射区的空穴注入效率，改善电流拖尾，从而降低关断损耗。
本发明的有益效果为：本发明公开了一种增加背面栅降低关断损耗的超高压IGBT结构，该结构在常规超高压IGBT结构的基础上，在背面增添栅极。在IGBT正向导通时，正面栅接高电压而背面栅不工作，器件工作在双极导电模式下，保持IGBT低导通压降的优点。当器件关断时，正面栅接低电压而背面栅接高电压开启，背面栅开启所形成的电子通路会抑制P型发射区的空穴注入，并为N型基区中载流子的抽取提供通路。达到抑制关断过程中的电流拖尾现象的效果，从而有效降低器件在关断过程中产生的损耗，为器件在超高压环境下工作提供可能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为常规高耐压IGBT结构示意图；
图3为常规超高压IGBT与本发明的超高压IGBT关断曲线对比图；
图4为常规超高压IGBT与本发明的导通压降-关断损耗折中曲线对比图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
本发明提出了一种增加背面栅降低关断损耗的超高压IGBT结构，其元胞结构包括P型发射区(1)和N型缓冲层(2)，位于缓冲层(2)上方的N型漂移区(3)，P型基区(4)，所述P型基区(4)上设有P型高掺杂区(5)和N+型发射区(6)，器件背面有由N型发射区(7)和PolySi、SiO2组成的背面栅结构。
本发明所提出的结构在常规超高压IGBT结构的基础上，在背面增添栅极。在IGBT正向导通时，正面栅接高电压而背面栅不工作，P型发射区(1)与P型基区(4)都会向N型漂移区(3)中注入大量空穴。器件工作在双极导电模式下，保持IGBT低导通压降的优点。当器件关断时，正面栅接低电压关断同时背面栅接高电压开启，背面栅开启形成N型沟道提供新的电子通路，这会极大抑制P型发射区(1)的空穴注入。关断过程中的电流拖尾现象因此得到改善，从而有效降低器件在关断过程中产生的损耗，为器件在超高压环境下工作提供可能。
在一次实施例中，13000V工作环境下，对常规超高压IGBT与本发明结构的关断过程进行仿真测试。如图3所示，与常规超高压IGBT结构相比，本发明在关断过程中的电流拖尾现象得到有效抑制。
在一次实施例中，对比常规超高压IGBT与本发明的导通压降-关断损耗折中曲线图。可以看到在相同的导通压降下本发明具有更小的关断损耗，本发明具有更优的导通压降-关断损耗折中关系。
综上所述，本发明公开了一种增加背面栅降低关断损耗的超高压IGBT结构，该结构在常规超高压IGBT结构的基础上，在背面增添栅极。在IGBT正向导通时，正面栅接高电压而背面栅不工作，器件工作在双极导电模式下，保持IGBT低导通压降的优点。当器件关断时，正面栅接低电压而背面栅接高电压开启，背面栅开启所形成的电子通路会抑制P型发射区的空穴注入，并为N型基区中载流子的抽取提供通路。达到抑制关断过程中的电流拖尾现象的效果，从而有效降低器件在关断过程中产生的损耗，为器件在超高压环境下工作提供可能。

Claims (5)

1.一种增加背面栅降低关断损耗的超高压IGBT结构，其元胞结构包括P型发射区(1)和N型缓冲层(2)，位于缓冲层(2)上方的N型漂移区(3)，P型基区(4)，所述P型基区(4)上设有P型高掺杂区(5)和N+型发射区(6)，器件背面有由N型发射区(7)和PolySi、SiO2组成的背面栅结构。
2.根据权利要求1所述的增加背面栅降低关断损耗的超高压IGBT结构，其特征在于，在常规IGBT结构的背面增加一个控制栅。
3.根据权利要求1和2所述的增加背面栅降低关断损耗的超高压IGBT结构，其特征在于，IGBT导通时正面栅接高电位开启，背面栅接低电位，IGBT关断时正面栅接低电位关断，背面栅接高电位开启。
4.根据权利要求1和2所述的增加背面栅降低关断损耗的超高压IGBT结构，其特征在于，所提出的IGBT器件厚度为1500μm，使得器件的耐压可以达到13kV。
5.根据权利要求1、2和4所述的增加背面栅降低关断损耗的超高压IGBT结构，其特征在于，在IGBT关断时，由背面栅开启的N型沟道将抑制P型发射区的空穴注入效率，改善电流拖尾，从而降低关断损耗。
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Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0888349A (ja) * 1994-09-16 1996-04-02 Toshiba Corp 電力用半導体素子
JP2001320049A (ja) * 2000-05-09 2001-11-16 Fuji Electric Co Ltd 半導体装置およびその製造方法
JP2010123667A (ja) * 2008-11-18 2010-06-03 Denso Corp 半導体装置
CN103681817A (zh) * 2012-09-10 2014-03-26 中国科学院微电子研究所 Igbt器件及其制作方法
CN105932043A (zh) * 2016-05-11 2016-09-07 电子科技大学 具有超势垒集电极结构的igbt器件及其制造方法
CN105940606A (zh) * 2014-01-31 2016-09-14 株式会社日立制作所 半导体元件的驱动装置及使用该驱动装置的电力变换装置
US20170077273A1 (en) * 2015-09-10 2017-03-16 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device and method for driving same
CN107768434A (zh) * 2017-10-20 2018-03-06 电子科技大学 一种双向igbt及其制造方法
CN107799587A (zh) * 2017-10-20 2018-03-13 电子科技大学 一种逆阻型igbt及其制造方法
CN108122962A (zh) * 2017-12-04 2018-06-05 西南交通大学 一种绝缘栅双极型晶体管
CN109065607A (zh) * 2018-08-20 2018-12-21 电子科技大学 一种双极型功率半导体器件及其制备方法
CN109686788A (zh) * 2018-11-20 2019-04-26 电子科技大学 一种具有载流子存储层的槽栅igbt器件
CN111146274A (zh) * 2020-01-02 2020-05-12 杭州电子科技大学 一种碳化硅沟槽igbt结构及其制造方法
CN113497133A (zh) * 2020-03-19 2021-10-12 株式会社东芝 半导体装置以及半导体电路
CN113990924A (zh) * 2021-10-26 2022-01-28 电子科技大学 一种降低关断损耗的igbt结构

Patent Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0888349A (ja) * 1994-09-16 1996-04-02 Toshiba Corp 電力用半導体素子
JP2001320049A (ja) * 2000-05-09 2001-11-16 Fuji Electric Co Ltd 半導体装置およびその製造方法
JP2010123667A (ja) * 2008-11-18 2010-06-03 Denso Corp 半導体装置
CN103681817A (zh) * 2012-09-10 2014-03-26 中国科学院微电子研究所 Igbt器件及其制作方法
CN105940606A (zh) * 2014-01-31 2016-09-14 株式会社日立制作所 半导体元件的驱动装置及使用该驱动装置的电力变换装置
US20170077273A1 (en) * 2015-09-10 2017-03-16 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device and method for driving same
CN105932043A (zh) * 2016-05-11 2016-09-07 电子科技大学 具有超势垒集电极结构的igbt器件及其制造方法
CN107768434A (zh) * 2017-10-20 2018-03-06 电子科技大学 一种双向igbt及其制造方法
CN107799587A (zh) * 2017-10-20 2018-03-13 电子科技大学 一种逆阻型igbt及其制造方法
CN108122962A (zh) * 2017-12-04 2018-06-05 西南交通大学 一种绝缘栅双极型晶体管
CN109065607A (zh) * 2018-08-20 2018-12-21 电子科技大学 一种双极型功率半导体器件及其制备方法
CN109686788A (zh) * 2018-11-20 2019-04-26 电子科技大学 一种具有载流子存储层的槽栅igbt器件
CN111146274A (zh) * 2020-01-02 2020-05-12 杭州电子科技大学 一种碳化硅沟槽igbt结构及其制造方法
CN113497133A (zh) * 2020-03-19 2021-10-12 株式会社东芝 半导体装置以及半导体电路
CN113990924A (zh) * 2021-10-26 2022-01-28 电子科技大学 一种降低关断损耗的igbt结构

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