CN208077983U - 4H-SiC的绝缘栅双极型晶体管 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了4H‑SiC的绝缘栅双极型晶体管，其包括：漂移区；P阱区，设置在漂移区的一侧；N+发射极，设置在P阱区远离漂移区的一侧；两个沟槽，每个沟槽开设在N+发射极、P阱区和漂移区内且贯穿N+发射极和P阱区，并且沟槽的侧壁都不垂直于绝缘栅双极型晶体管的上表面；沟槽氧化层，设置在两个沟槽中且覆盖每个沟槽的表面；两个多晶硅栅极，每个多晶硅栅极填充在沟槽氧化层远离漂移区的一侧；N缓冲层，设置在漂移区远离P阱区的一侧；P+集电极，设置在N缓冲层远离漂移区的一侧；其中，漂移区、P阱区、N+发射极、N缓冲层和P+集电极都由4H‑SiC形成。本实用新型所提出的绝缘栅双极型晶体管，根据4H‑SiC偏角度设计出倾斜的沟槽结构，从而降低IGBT的导通压降。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体技术领域，具体的，本实用新型涉及4H-SiC的绝缘栅双极型晶体管。
背景技术
目前，随着科技的发展，人们对电子器件的耐高温、抗辐射等在恶劣环境中工作的要求越来越高。虽然，硅和砷化镓为代表的第一、二代半导体材料得到了大力发展，并在半导体领域起中流砥柱的作用，但制作的器件只能工作在低于250℃的环境中，尤其是遇到高温、大功率、高频、极强辐射环境同时存在时，传统的硅和砷化镓电子器件已经不能满足这些领域的工作要求。这促使人们不得不开发具有更加优秀性能的宽禁带半导体电子器件，比如碳化硅、氮化镓器件。
碳化硅是一种宽禁带半导体材料，其具有饱和电子漂移速度高、击穿场强高、热导率高等特性，特别适合用于制作高电压、大电流、高频的功率器件。常见的碳化硅有3c-SiC、4H-SiC、6H-SiC等晶型，其中，又以4H-SiC的性能最好(带隙最宽、电子迁移率最高)。然而，4H-SiC的生长难度又是最大，生长过程中特别容易发生相变，产生6H-SiC、15R-SiC等杂相。
现阶段，绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，简称IGBT)是由双极型三极管(BJT)和绝缘栅型场效应管(MOSFET)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET器件的高输入阻抗和电力晶体管(即巨型晶体管，简称GTR)的低导通压降两方面的优点，由于IGBT具有驱动功率小而饱和压降低的优点，所以IGBT作为一种新型的电力电子器件被广泛应用到各个领域。
图1为现有绝缘栅双极晶体管的剖面结构图，当IGBT开通时，电子从发射极300注入到漂移区100、空穴从集电极600注入到漂移区100，电子和空穴在漂移区100发生电导调制效应，使得IGBT的导通压降较低；而在IGBT关断时，漂移区100中的空穴主要通过与漂移区中的电子复合来消灭，从而实现IGBT的关断。但是，现有结构的IGBT导通压降还不够低。
实用新型内容
本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
本实用新型是基于发明人的下列发现而完成的：
本实用新型的发明人在研究过程中发现，与0°生长4H-SiC(4H-SiC表面法线方向平行于4H-SiC<0001>晶向)相比，偏角度生长4H-SiC(即4H-SiC表面法线方向是偏离4H-SiC<0001>晶向的)更不容易发生相变，因此，目前市场上的4H-SiC以偏角度居多，通常有偏4°和偏8°的4H-SiC。
本实用新型的发明人经过深入研究发现，可根据4H-SiC的偏角度相应地设计倾斜的沟槽结构，如此，可使电子和空穴在沟道处沿着4H-SiC的<0001>方向移动，从而减小了载流子在沟槽处移动中所承受到的散射阻力，进而降低IGBT的导通压降。
有鉴于此，本实用新型的一个目的在于提出一种导通压降更低、导热率稿或者工作结温高的4H-SiC的绝缘栅双极型晶体管。
在本实用新型的第一方面，本实用新型提出了一种4H-SiC的绝缘栅双极型晶体管。
根据本实用新型的实施例，所述绝缘栅双极型晶体管包括：漂移区；P阱区，所述P阱区设置在所述漂移区的一侧；N+发射极，所述N+发射极设置在所述P阱区远离所述漂移区的一侧；两个沟槽，每个所述沟槽开设在所述N+发射极、所述P阱区和所述漂移区内，且贯穿所述N+发射极和所述P阱区，并且，所述沟槽的侧壁都不垂直于所述绝缘栅双极型晶体管的上表面；沟槽氧化层，所述沟槽氧化层设置在所述两个沟槽中，且覆盖每个所述沟槽的表面；两个多晶硅栅极，每个所述多晶硅栅极填充在所述沟槽氧化层远离所述漂移区的一侧；N缓冲层，所述N缓冲层设置在所述漂移区远离所述P阱区的一侧；P+集电极，所述P+集电极设置在所述N缓冲层远离所述漂移区的一侧；其中，所述漂移区、所述P阱区、所述N+发射极、所述N缓冲层和所述P+集电极都由4H-SiC形成。
发明人经过研究发现，本实用新型实施例的绝缘栅双极型晶体管，由于4H-SiC材料存在偏角度，所以可根据4H-SiC偏角度设计出倾斜的沟槽结构，如此，可使电子和空穴在沟道处沿着4H-SiC的<0001>方向移动，从而减小了载流子在沟槽处移动中所承受到的散射阻力，进而降低IGBT的导通压降。
另外，根据本实用新型上述实施例绝缘栅双极型晶体管，还可以具有如下附加的技术特征：
根据本实用新型的实施例，所述绝缘栅双极型晶体管的上表面的法线方向与4H-SiC晶体的<0001>取向的偏角度为4°，且所述沟槽的侧壁的法线方向为4H-SiC晶体的或取向。
根据本实用新型的实施例，所述绝缘栅双极型晶体管进一步包括：绝缘层，所述绝缘层设置在所述两个多晶硅栅极远离所述漂移区的一侧。
根据本实用新型的实施例，每个所述沟槽的宽度为0.5～1.5微米。
根据本实用新型的实施例，每个所述沟槽的宽度为0.8微米。
根据本实用新型的实施例，每个所述沟槽的底壁与所述P阱区靠近所述漂移区的上表面之间的间距为0.2～1微米。
根据本实用新型的实施例，每个所述沟槽的底壁与所述P阱区靠近所述漂移区的上表面之间的间距为0.5微米。
根据本实用新型的实施例，所述两个沟槽之间的间距为1～3微米。
根据本实用新型的实施例，所述两个沟槽之间的间距为2微米。
根据本实用新型的实施例，所述P+集电极中的P+离子浓度不小于5*1018/cm3。
本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是现有技术的绝缘栅双极型晶体管的截面结构示意图；
图2是本实用新型一个实施例的绝缘栅双极型晶体管的截面结构示意图；
图3是本实用新型另一个实施例的绝缘栅双极型晶体管的局部截面结构示意图；
图4是本实用新型另一个实施例的绝缘栅双极型晶体管的局部截面结构示意图；
图5是本实用新型另一个实施例的绝缘栅双极型晶体管的截面结构示意图。
附图标记
100 漂移区
200 P阱区
300 N+发射极
410 沟槽
420 沟槽氧化层
430 多晶硅栅极
440 绝缘层
500 N缓冲层
600 P+集电极
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，本技术领域人员会理解，下面实施例旨在用于解释本实用新型，而不应视为对本实用新型的限制。除非特别说明，在下面实施例中没有明确描述具体技术或条件的，本领域技术人员可以按照本领域内的常用的技术或条件或按照产品说明书进行。
在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种4H-SiC的绝缘栅双极型晶体管。参照图2～5，对本实用新型的IGBT进行详细的描述。
根据本实用新型的实施例，参照图2，该绝缘栅双极型晶体管包括：漂移区100，P阱区200，N+发射极300，两个沟槽410，沟槽氧化层420，两个多晶硅栅极430，N缓冲层500和P+集电极600；其中，P阱区200设置在漂移区100的一侧；N+发射极300设置在P阱区200远离漂移区100的一侧；每个沟槽410开设在N+发射极300、P阱区200和漂移区100内，且贯穿N+发射极300和P阱区200，并且，沟槽410的侧壁都不垂直于绝缘栅双极型晶体管的上表面A；沟槽氧化层420设置在两个沟槽410中，且覆盖每个沟槽410的表面；每个多晶硅栅极430填充在沟槽氧化层420远离漂移区100的一侧；N缓冲层500设置在漂移区100远离P阱区200的一侧；P+集电极600设置在N缓冲层500远离漂移区100的一侧；其中，漂移区100、P阱区200、N+发射极300、缓冲层500和P+集电极600都由4H-SiC形成。
本实用新型的发明人在研究过程中发现，与0°生长4H-SiC(4H-SiC表面法线方向平行于4H-SiC<0001>晶向)相比，偏角度生长4H-SiC(即4H-SiC表面法线方向是偏离4H-SiC<0001>晶向的)更不容易发生相变，因此，目前市场上的4H-SiC以偏角度的居多。所以，发明人根据4H-SiC的偏角度相应地设计倾斜的沟槽结构，如此，可使电子和空穴在沟道处沿着4H-SiC的<0001>方向移动，从而减小了载流子在沟槽处移动中所承受到的散射阻力，进而降低IGBT的导通压降。
本实用新型的发明人经过深入研究发现，可根据4H-SiC的偏角度相应地设计倾斜的沟槽结构，如此，可使电子和空穴在沟道处沿着4H-SiC的<0001>方向移动，从而减小了载流子在沟槽处移动中所承受到的散射阻力，进而降低IGBT的导通压降。
根据本实用新型的实施例，参照图3和图4，绝缘栅双极型晶体管的上表面A的法线方向与4H-SiC晶体的<0001>取向的偏角度α可以为4°，且沟槽410的侧壁的法线方向为4H-SiC晶体的或取向。如此，针对现阶段常用的偏4°的4H-SiC晶体，不仅可使沟槽结构的侧壁都偏4°，还可使侧壁的法线方向为4H-SiC晶体的或取向，如此，利用晶面或晶面的迁移率高的优点，可进一步使沟槽侧壁的电子迁移率更高，从而进一步降低IGBT的导通压降。
根据本实用新型的实施例，参照图5，该绝缘栅双极型晶体管还可进一步包括绝缘层440，绝缘层440设置在两个多晶硅栅极430远离漂移区100的一侧。如此，绝缘层440可在制作过程或使用过程中充分保护多晶硅栅极430，从而使该绝缘栅双极型晶体管的器件稳定性更好。
根据本实用新型的实施例，每个沟槽410的具体宽度不受特别的限制，本领域技术人员可根据该绝缘栅双极型晶体管的具体电性能要求进行相应地设计。在本实用新型的一些实施例中，每个沟槽的宽度可为0.5～1.5微米，如此，对于10微米尺寸的绝缘栅双极型晶体管可有很好的栅控能力。在一些具体示例中，每个沟槽的宽度为0.8微米，对于10微米尺寸的绝缘栅双极型晶体管可有更好的栅控能力。
根据本实用新型的实施例，每个沟槽410的具体深度不受特别的限制，本领域技术人员可根据该绝缘栅双极型晶体管的具体电性能要求进行相应地设计。在本实用新型的一些实施例中，每个沟槽410的底壁与P阱区200靠近漂移区100的上表面之间的间距可为0.2～1微米，如此，栅极可很好控制地电导调制效应。在一些具体示例中，每个沟槽的底壁与P阱区靠近漂移区的上表面之间的间距为0.5微米，如此，栅极可更好地控制电导调制效应。
根据本实用新型的实施例，两个沟槽410之间的间距也不受特别的限制，本领域技术人员可根据该绝缘栅双极型晶体管的具体电性能要求进行相应地设计。在本实用新型的一些实施例中，两个沟槽410之间的间距可为1～3微米，如此，可使4H-SiC的IGBT相对于Si基的IGBT的6微米的沟槽间距设计，只有1～3微米，从而大幅地提高了IGBT可流过的最大电流密度。在一些具体示例中，两个沟槽410之间的间距为2微米，如此，可更进一步提高了IGBT可流过的最大电流密度。
根据本实用新型的实施例，P+集电极中的P+离子浓度可不小于5*1018/cm3，如此，采用上述离子浓度进行重掺杂的P+集电极，相对于Si基的IGBT的集电极掺杂浓度小于1*1017/cm3，从而可在略微增加IGBT关断损耗的前提下，明显地减小IGBT的导通压降。
根据本实用新型的实施例，漂移区100可为N型掺杂且掺杂浓度低于1*1015/cm3，如此，可充分保证IGBT由较高的耐压能力。根据本实用新型的实施例，4H-SiC无微管缺陷且位错密度低于103/cm2，如此，可充分保证IGBT的长期使用可靠性。根据本实用新型的实施例，P阱区200、P+集电极600可通过注入硼离子形成的，而N+发射极300和N缓冲层500可通过注入氮离子形成的。
根据本实用新型的实施例，漂移区100、P阱区200、N+发射极300、N缓冲层500和P+集电极600的具体厚度，都不受特别的限制，本领域技术人员可根据绝缘栅双极型晶体管的电学性能要求进行相应地设计和调整，在此不再赘述。
根据本实用新型的实施例，沟槽氧化层420的具体厚度也不受特别的限制，本领域技术人员可根据多晶硅栅极430对绝缘栅双极型晶体管的具体栅控要求进行相应地设计和调整，在此不再赘述。
根据本实用新型的实施例，绝缘层440的具体厚度不受特别的限制，本领域技术人员可根据多晶硅栅极430的具体大小进行相应地调整，只要该厚度的绝缘层440能充分保护多晶硅栅极430即可，在此不再赘述。
综上所述，根据本实用新型的实施例，本实用新型提出了一种绝缘栅双极型晶体管，由于4H-SiC材料存在偏角度，所以可根据4H-SiC偏角度设计出倾斜的沟槽结构，如此，可使电子和空穴在沟道处沿着4H-SiC的<0001>方向移动，从而减小了载流子在沟槽处移动中所承受到的散射阻力，进而降低IGBT的导通压降。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种4H-SiC的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，包括：
漂移区；
P阱区，所述P阱区设置在所述漂移区的一侧；
N+发射极，所述N+发射极设置在所述P阱区远离所述漂移区的一侧；
两个沟槽，每个所述沟槽开设在所述N+发射极、所述P阱区和所述漂移区内，且贯穿所述N+发射极和所述P阱区，并且，所述沟槽的侧壁都不垂直于所述绝缘栅双极型晶体管的上表面；
沟槽氧化层，所述沟槽氧化层设置在所述两个沟槽中，且覆盖每个所述沟槽的表面；
两个多晶硅栅极，每个所述多晶硅栅极填充在所述沟槽氧化层远离所述漂移区的一侧；
N缓冲层，所述N缓冲层设置在所述漂移区远离所述P阱区的一侧；
P+集电极，所述P+集电极设置在所述N缓冲层远离所述漂移区的一侧；
其中，所述漂移区、所述P阱区、所述N+发射极、所述N缓冲层和所述P+集电极都由4H-SiC形成。
2.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述绝缘栅双极型晶体管的上表面的法线方向与4H-SiC晶体的<0001>取向的偏角度为4°，且所述沟槽的侧壁的法线方向为4H-SiC晶体的或取向。
3.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，进一步包括：
绝缘层，所述绝缘层设置在所述两个多晶硅栅极远离所述漂移区的一侧。
4.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，每个所述沟槽的宽度为0.5～1.5微米。
5.根据权利要求4所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，每个所述沟槽的宽度为0.8微米。
6.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，每个所述沟槽的底壁与所述P阱区靠近所述漂移区的上表面之间的间距为0.2～1微米。
7.根据权利要求6所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，每个所述沟槽的底壁与所述P阱区靠近所述漂移区的上表面之间的间距为0.5微米。
8.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述两个沟槽之间的间距为1～3微米。
9.根据权利要求8所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述两个沟槽之间的间距为2微米。
10.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述P+集电极中的P+离子浓度不小于5*1018/cm3。
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