CN208674127U - 逆导型绝缘栅双极型晶体管、智能功率模块和空调器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了逆导型绝缘栅双极型晶体管、智能功率模块和空调器。逆导型绝缘栅双极型晶体管包括：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；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；集电极层，设置在漂移区远离P阱区的一侧，并且包括在第一方向上相间排布的多个P⁺集电极和多个N⁺集电极；其中，P⁺集电极的材料的带隙宽度宽于漂移区的半导体材料的带隙宽度。本实用新型所提出的逆导型IGBT，其P⁺集电极与漂移区形成异型异质结，降低开通损耗。

Description

逆导型绝缘栅双极型晶体管、智能功率模块和空调器

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，具体的，本实用新型涉及逆导型绝缘栅双极型晶体管、智能功率模块和空调器。

背景技术

目前，绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，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。

而IGBT一般需与一个二极管反并联使用，这就会使得开关器件面积较大。所以，为减小开关器件面积，人们开发了一种逆导型IGBT，其将IGBT和二极管设计在同一芯片上，从而可减小开关器件的大小。但是，逆导型IGBT虽减小了开关器件的面积，可是会带来开通时间较长、开通能量损耗较高的新问题。

实用新型内容

本实用新型是基于发明人的下列发现而完成的：

发明人在研究过程中发现，现有的逆导型绝缘栅双极型晶体管，引入N⁺型集电极而减小了P⁺集电极的区域大小(因为非逆导型的IGBT的集电极全部为p型掺杂)，这就导致逆导型IGBT在正向导通时，空穴从P⁺集电极注入到漂移区的速度较慢，因而使IGBT在开通的初始阶段属于电子的单极导电模式，发射极与集电极之间压降V_ce较高；随着时间的推移，空穴注入增多，IGBT进入电子、空穴的双极导电模式，发射极与集电极之间压降V_ce开始降低，电流Ic也大幅度提升，这就是所谓的电压折回效应，可参考图1。而电压折回效应会使得逆导型IGBT的开通时间较长，进而使IGBT开通能量损耗较高。

发明人经过深入的研究，设计出一种新的逆导型绝缘栅双极型晶体管，选择半导体材料的带隙宽度：P⁺集电极>漂移区，如此，P⁺集电极可与漂移区形成异型异质结。当正向导通时，由于P⁺集电极的带隙宽度比漂移区的带隙宽度宽，因而可增强空穴从P⁺集电极注入到漂移区的效率，进而加快逆导型IGBT从单极电子导电模式向电子、空穴的双极导电模式转变，从而削弱了逆导型IGBT的电压折回效应，降低IGBT的开通损耗。

此外，还可选择半导体材料的带隙宽度：漂移区>N⁺集电极，如此，漂移区还能与N⁺集电极形成同型异质结。当正向导通时，由于N⁺集电极带隙宽度比漂移区的带隙宽度窄，因而可抑制电流从N⁺集电极流过，从而迫使电流更多地从P⁺集电极流过，进而进一步提高了空穴从P⁺集电极注入到漂移区的效率，更削弱了逆导型IGBT的电压折回效应，进一步降低IGBT的开通损耗。

有鉴于此，本实用新型的一个目的在于提出一种的开关时间更短、开通损耗更低的逆导型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逆导型绝缘栅双极型晶体管。

根据本实用新型的实施例，所述逆导型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；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；集电极层，所述集电极层设置在所述漂移区远离所述P阱区的一侧，并且，所述集电极层包括在第一方向上相间排布的多个P⁺集电极和多个N⁺集电极；其中，形成所述P⁺集电极的材料的带隙宽度宽于形成所述漂移区的半导体材料的带隙宽度。

发明人经过研究发现，本实用新型实施例的逆导型IGBT，选择半导体材料的带隙宽度：P⁺集电极>漂移区，如此，P⁺集电极可与漂移区形成异型异质结。正向导通时，可增强空穴从P+集电极注入到漂移区的效率，进而加快逆导型IGBT从单极电子导电模式向电子、空穴的双极导电模式转变，从而削弱了逆导型IGBT的电压折回效应，降低开通损耗、缩短开关时间。

另外，根据本实用新型上述实施例的逆导型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，形成所述P⁺集电极的半导体材料包括碳化硅，形成所述漂移区的半导体材料包括硅。

根据本实用新型的实施例，形成所述N⁺集电极的半导体材料的带隙宽度窄于形成所述漂移区的半导体材料的带隙宽度。

根据本实用新型的实施例，形成所述N⁺集电极的半导体材料包括锗，形成所述漂移区的半导体材料包括硅。

根据本实用新型的实施例，所述集电极层的厚度为2～5微米。

根据本实用新型的实施例，所述集电极层包括三个所述P⁺集电极和两个所述N⁺集电极。

根据本实用新型的实施例，设置在两个所述N⁺集电极之间的所述P⁺集电极在所述漂移区上的正投影与所述两个沟槽在所述漂移区上的正投影不重合。

根据本实用新型的实施例，两个所述N⁺集电极在所述漂移区上的正投影覆盖所述两个沟槽在所述漂移区上的正投影。

根据本实用新型的实施例，所述逆导型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多晶硅栅极远离所述漂移区的表面，且所述绝缘层在所述漂移区上的正投影覆盖所述多晶硅栅极在所述漂移区上的正投影；发射极层，所述发射极层覆盖所述绝缘层、所述N⁺发射极和所述P阱区。

在本实用新型的第二方面，本实用新型提出了一种智能功率模块。

根据本实用新型的实施例，所述智能功率模块包括：电路基板，所述电路基板的上表面设置有电路布线，且所述电路布线包括焊接器件区；至少一个上述的逆导型绝缘栅双极型晶体管，所述至少一个逆导型绝缘栅双极型晶体管的底侧面焊接于所述焊接器件区，顶侧面通过金属连接桥接至所述电路布线。

发明人经过研究发现，本实用新型实施例的智能功率模块，其逆导型绝缘栅双极型晶体管的开通损耗更低、开关时间更短，从而使该智能功率模块的功耗更低、响应更快速。本领域技术人员能够理解的是，前面针对逆导型绝缘栅双极型晶体管所描述的特征和优点，仍适用于该智能功率模块，在此不再赘述。

在本实用新型的第三方面，本实用新型提出了一种空调器。

根据本实用新型的实施例，所述空调器包括上述的智能功率模块。

发明人经过研究发现，本实用新型实施例的空调器，其智能功率模块的功耗更低、响应更快速，从而提高该空调器的节能、高效和灵敏的性能。本领域技术人员能够理解的是，前面针对逆导型绝缘栅双极型晶体管、智能功率模块所描述的特征和优点，仍适用于该空调器，在此不再赘述。

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是现有技术的逆导型IGBT在正向导通时的电压折回效应；

图2是本实用新型一个实施例的逆导型IGBT的结构示意图；

图3是本实用新型另一个实施例的逆导型IGBT的结构示意图。

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

510 P⁺集电极

520 N⁺集电极

600 发射极层

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逆导型绝缘栅双极型晶体管。

根据本实用新型的实施例，参考图2，逆导型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和集电极层；其中，P阱区200设置在漂移区200的一侧；N⁺发射极300设置在P阱区200远离漂移区200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；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；而集电极层设置在漂移区100远离P阱区200的一侧，并且，集电极层包括在第一方向上相间排布的多个P⁺集电极510和多个N⁺集电极520，而且，形成P⁺集电极510的材料的带隙宽度宽于形成漂移区100的半导体材料的带隙宽度。

逆导型IGBT将集电极可设置为p型掺杂、n型掺杂的混合型结构，当IGBT正向导通时，空穴从P⁺集电极510注入到漂移区100，电子从N⁺发射极300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，使得逆导型IGBT的导通压降较低；当IGBT关断时，电流可反向从N⁺发射极300、P阱区200、漂移区100、N⁺集电极520依次通过，从而起到与反并二极管相同的反向续流作用。但是，引入N⁺集电极而减小了P⁺集电极的区域大小(因为非逆导型的IGBT的集电极全部为p型掺杂)，造成电压折回效应，使得逆导型IGBT的开通时间较长，进而使IGBT开通能量损耗较高。

所以，本实用新型的发明人选择半导体材料的带隙宽度：P⁺集电极510>漂移区100，如此，P⁺集电极510可与漂移区100形成异型异质结。当正向导通时，由于P⁺集电极510的带隙宽度比漂移区100的带隙宽度宽，因而可增强空穴从P⁺集电极510注入到漂移区100的效率，进而加快逆导型IGBT从单极电子导电模式向电子、空穴的双极导电模式转变，从而削弱了逆导型IGBT的电压折回效应，降低开通损耗、缩短开关时间。

根据本实用新型的实施例，形成P⁺集电极510的半导体材料可包括碳化硅(SiC)，形成漂移区100的半导体材料可包括硅(Si)，如此，由于SiC的带隙宽度显著地比Si宽，所以可进一步加快逆导型IGBT从单极电子导电模式向电子、空穴的双极导电模式转变，显著地降低开通损耗、缩短开关时间。

根据本实用新型的实施例，形成N⁺集电极520的半导体材料的带隙宽度窄于形成漂移区100的半导体材料的带隙宽度，如此，可选择半导体材料的带隙宽度：漂移区100>N⁺集电极520，如此，漂移区100还能与N⁺集电极520形成同型异质结。当正向导通时，由于N⁺集电极520带隙宽度比漂移区100的带隙宽度窄，因而可抑制电流从N⁺集电极520流过，从而迫使电流更多地从P⁺集电极510流过，进而进一步提高了空穴从P⁺集电极510注入到漂移区100的效率，更削弱了逆导型IGBT的电压折回效应，进一步降低IGBT的开通损耗。

根据本实用新型的实施例，形成N⁺集电极520的半导体材料包括锗(Ge)，形成漂移区100的半导体材料包括硅(Si)，如此，由于Si的带隙宽度显著地比Ge宽，所以可更进一步加快逆导型IGBT从单极电子导电模式向电子、空穴的双极导电模式转变，更显著地降低开通损耗、缩短开关时间。

根据本实用新型的实施例，集电极层的厚度可为2～5微米，如此，相对于现有的10微米以上厚的集电极层，更薄的集电极层更有利于降低逆导型IGBT的关断损耗。

根据本实用新型的实施例，参考图2，集电极层可包括三个P⁺集电极和两个N⁺集电极，如此，对于双栅极型的晶体管，可更好地减小开关器件的大小。在本实用新型的一些实施例中，设置在两个N⁺集电极520之间的P⁺集电极510在漂移区100上的正投影与两个沟槽410在漂移区100上的正投影不重合，如此，可有利于正向导通时，从P+集电极510注入到漂移区100的空穴与从N⁺发射极300注入到漂移区100的电子发生电导调制效应。在本实用新型的具体示例中，两个N⁺集电极520在漂移区100上的正投影覆盖两个沟槽410在漂移区100上的正投影，如此，可在正向导通时更有效地抑制电流从N⁺集电极520流过。

根据本实用新型的实施例，参考图3，该逆导型绝缘栅双极型晶体管可进一步包括：绝缘层440和发射极层600；其中，绝缘层440设置在多晶硅栅极430远离漂移区100的表面，且绝缘层440在漂移区上的正投影覆盖多晶硅栅极430在所述漂移区上的正投影；而发射极层600覆盖绝缘层440、N⁺发射极300和P阱区200。如此，可获得结构更完善、功能更好、器件稳定性更佳的逆导型IGBT。

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逆导型IGBT，选择半导体材料的带隙宽度：P⁺集电极>漂移区，如此，P⁺集电极可与漂移区形成异型异质结。正向导通时，可增强空穴从P+集电极注入到漂移区的效率，进而加快逆导型IGBT从单极电子导电模式向电子、空穴的双极导电模式转变，从而削弱了逆导型IGBT的电压折回效应，降低开通损耗、缩短开关时间。

在本实用新型的另一个方面，本实用新型提出了一种智能功率模块。

根据本实用新型的实施例，该智能功率模块包括电路基板和至少一个上述的逆导型绝缘栅双极型晶体管，其中，电路基板的上表面设置有电路布线，且电路布线包括焊接器件区；而至少一个逆导型绝缘栅双极型晶体管的底侧面焊接于焊接器件区，其顶侧面通过金属连接桥接至电路布线。

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智能功率模块，其逆导型绝缘栅双极型晶体管的开通损耗更低、开关时间更短，从而使该智能功率模块的功耗更低、响应更快速。本领域技术人员能够理解的是，前面针对逆导型绝缘栅双极型晶体管所描述的特征和优点，仍适用于该智能功率模块，在此不再赘述。

在本实用新型的另一个方面，本实用新型提出了一种空调器。

根据本实用新型的实施例，该空调器包括上述的智能功率模块。

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空调器，其智能功率模块的功耗更低、响应更快速，从而提高该空调器的节能、高效和灵敏的性能。本领域技术人员能够理解的是，前面针对逆导型绝缘栅双极型晶体管、智能功率模块所描述的特征和优点，仍适用于该空调器，在此不再赘述。

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 (11)

1.一种逆导型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；

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；

集电极层，所述集电极层设置在所述漂移区远离所述P阱区的一侧，并且，所述集电极层包括在第一方向上相间排布的多个P⁺集电极和多个N⁺集电极；

其中，形成所述P⁺集电极的材料的带隙宽度宽于形成所述漂移区的半导体材料的带隙宽度。

2.根据权利要求1所述的逆导型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，形成所述P⁺集电极的半导体材料包括碳化硅，形成所述漂移区的半导体材料包括硅。

3.根据权利要求1所述的逆导型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，形成所述N⁺集电极的半导体材料的带隙宽度窄于形成所述漂移区的半导体材料的带隙宽度。

4.根据权利要求1所述的逆导型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，形成所述N⁺集电极的半导体材料包括锗，形成所述漂移区的半导体材料包括硅。

5.根据权利要求1所述的逆导型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述集电极层的厚度为2～5微米。

6.根据权利要求1所述的逆导型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述集电极层包括三个所述P⁺集电极和两个所述N⁺集电极。

7.根据权利要求6所述的逆导型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，设置在两个所述N⁺集电极之间的所述P⁺集电极在所述漂移区上的正投影与所述两个沟槽在所述漂移区上的正投影不重合。

8.根据权利要求7所述的逆导型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，两个所述N⁺集电极在所述漂移区上的正投影覆盖所述两个沟槽在所述漂移区上的正投影。

9.根据权利要求1所述的逆导型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多晶硅栅极远离所述漂移区的表面，且所述绝缘层在所述漂移区上的正投影覆盖所述多晶硅栅极在所述漂移区上的正投影；

发射极层，所述发射极层覆盖所述绝缘层、所述N⁺发射极和所述P阱区。

10.一种智能功率模块，其特征在于，包括：

电路基板，所述电路基板的上表面设置有电路布线，且所述电路布线包括焊接器件区；

至少一个权利要求1～9任一项所述的逆导型绝缘栅双极型晶体管，所述至少一个逆导型绝缘栅双极型晶体管的底侧面焊接于所述焊接器件区，顶侧面通过金属连接桥接至所述电路布线。

11.一种空调器，其特征在于，包括权利要求10所述的智能功率模块。