CN208674128U - 绝缘栅极晶体管、智能功率模块和空调器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了绝缘栅极晶体管、智能功率模块和空调器。绝缘栅极晶体管包括：漂移区；P阱区，设置在漂移区的一侧；发射极，设置在P阱区远离漂移区的一侧；沟槽，开设在发射极、P阱区和漂移区内，且贯穿发射极和P阱区；栅极氧化层，设置在沟槽中且覆盖沟槽的表面；栅极，填充在栅极氧化层远离漂移区的一侧；二极管结构，设置在发射极和栅极之间，且二极管结构的阳极、阴极分别与发射极、栅极电连接。本实用新型所提出的绝缘栅极晶体管，其结构中设计的二极管的阳极、阴极分别与发射极、栅极电连接，如此，当外界静电施加于栅极和发射极之间的电压大于二极管的击穿电压时，利用二极管结构的击穿特性，保护绝缘栅极晶体管不被静电击穿而失效。

Description

绝缘栅极晶体管、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，本实用新型涉及绝缘栅极晶体管、智能功率模块和空调器。

背景技术

目前，绝缘栅双极晶体管(IGBT)是一种大电流、大功率开关器件，其兼具双极型三极管(BJT)的电流能力和场效应晶体管的电压控制特点。参考图1，现有的绝缘栅极晶体管的正面包含栅极G和发射极E，而集电极C(图中未标出)则位于背面，并且，栅极G与发射极E、集电极C绝缘之间均绝缘。

通过给栅极G施加电压，可控制集电极C与发射极E之间的通断：栅极G与发射极E之间施加0V电压时，则集电极C与发射极E之间断开；栅极G与发射极E之间施加阈值电压(例如15V)时，则集电极C与发射极E之间导通。所以，为了使绝缘栅双极晶体管的驱动电压不至于较高(低压驱动利于节能)，栅极G与发射极E之间的栅氧化层GI厚度需较薄。但是，较薄的栅氧化层会使栅极G和发射极E之间的耐压能力较低，从而在IGBT使用过程中，其通常会遇到静电威胁，最常见是人体静电(高达上千福特)导致IGBT的栅极G与发射极E之间容易被击穿而损坏。

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：

本实用新型的发明人在研究过程中，提出一种具有防静电功能的绝缘栅极晶体管结构，在现有的绝缘栅极晶体管结构上增设二极管结构，并将二极管的阳极与发射极电连接、阴极与栅极电连接，利用二极管结构的击穿特性，可使栅极与发射极之间的电压不超过二极管的击穿电压Vbr，从而可保护该绝缘栅极晶体管结构不被静电击穿而失效。

有鉴于此，本实用新型的一个目的在于提出一种具有防静电功能、结构简单、制作容易的绝缘栅极晶体管。

在本实用新型的第一方面，本实用新型提出了一种绝缘栅极晶体管。

根据本实用新型的实施例，所述绝缘栅极晶体管包括：漂移区；P阱区，所述P阱区设置在所述漂移区的一侧；发射极，所述发射极设置在所述P阱区远离所述漂移区的一侧；沟槽，所述沟槽开设在所述发射极、所述P阱区和所述漂移区内，且贯穿所述发射极和所述P阱区；栅极氧化层，所述栅极氧化层设置在所述沟槽中，且覆盖所述沟槽的表面；栅极，所述栅极填充在所述栅极氧化层远离所述漂移区的一侧；二极管结构，所述二极管结构设置在所述发射极和所述栅极之间，且所述二极管结构的阳极、阴极分别与所述发射极、所述栅极电连接。

发明人经过研究发现，本实用新型实施例的绝缘栅极晶体管，其结构中设计的二极管的阳极、阴极分别与发射极、栅极电连接，如此，当外界静电施加于栅极和发射极之间的电压大于二极管的击穿电压Vbr时，二极管结构具有的击穿特性可使栅极和发射极之间的电压维持在安全的Vbr，从而保护绝缘栅极晶体管不被静电击穿而失效。

另外，根据本实用新型上述实施例的绝缘栅极晶体管，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，所述阳极环绕所述阴极设置。

根据本实用新型的实施例，所述二极管结构与所述发射极和所述栅极之间设置有第一绝缘层。

根据本实用新型的实施例，所述第一绝缘层的材料与所述栅极氧化层的材料相同。

根据本实用新型的实施例，所述二极管结构远离所述漂移区的表面上设置有第二绝缘层，且所述第二绝缘层具有第一过孔和第二过孔，并且，所述发射极通过穿过所述第一过孔的第一导线与所述阳极电连接，所述栅极通过穿过所述第二过孔的第二导线与所述阴极电连接。

根据本实用新型的实施例，所述绝缘栅极晶体管进一步包括栅极绝缘层，所述栅极绝缘层设置在所述栅极远离所述漂移区的表面，且所述栅极绝缘层在所述漂移区上的正投影覆盖所述栅极在所述漂移区上的正投影，而且，所述第二导线通过所述栅极绝缘层上的第三过孔与所述栅极电连接。

根据本实用新型的实施例，所述第二绝缘层与所述栅极绝缘层的材料相同。

根据本实用新型的实施例，所述阳极与所述P阱区的材料相同。

根据本实用新型的实施例，所述阴极与所述发射极的材料相同。

根据本实用新型的实施例，所述栅极氧化层的厚度不超过200nm，所述二极管结构的击穿电压为20～30V。

根据本实用新型的实施例，所述绝缘栅极晶体管进一步包括集电极，所述集电极设置在所述漂移区远离所述沟槽的一侧。

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；至少一个上述的绝缘栅极晶体管，所述至少一个绝缘栅极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，其绝缘栅极晶体管具有防静电功能，从而使该智能功率模块的使用寿命更长。本领域技术人员能够理解的是，前面针对绝缘栅极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，其智能功率模块的使用寿命更长，从而提高该空调器的使用性能更好、使用寿命也更长。本领域技术人员能够理解的是，前面针对绝缘栅极晶体管、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是现有技术的绝缘栅极晶体管的栅极和发射极的俯视结构示意图；

图2是本实用新型一个实施例的绝缘栅极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栅极、发射极与二极管结构的俯视结构示意图；

图4是本实用新型另一个实施例的绝缘栅极晶体管的截面结构示意图。

附图标记

100 漂移区

200 P阱区

300 发射极

410 沟槽

420 栅极氧化层

430 栅极

440 栅极绝缘层

A3 第三过孔

500 二极管结构

510 阳极

520 阴极

530 第一绝缘层

540 第二绝缘层

A1 第一过孔

A2 第二过孔

600 集电极

710 第一导线

720 第二导线

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绝缘栅极晶体管。

根据本实用新型的实施例，参考图2，该绝缘栅极晶体管包括：漂移区100、P阱区200、发射极300、沟槽410、栅极氧化层420、栅极430和二极管结构500；其中，P阱区200设置在漂移区100的一侧；发射极300设置在P阱区200远离漂移区100的一侧；沟槽410开设在发射极300、P阱区200和漂移区100内，且贯穿发射极300和P阱区200；栅极氧化层420设置在沟槽410中，且覆盖沟槽410的表面；栅极430填充在栅极氧化层420远离漂移区100的一侧；而二极管结构500设置在发射极300和栅极430之间，且二极管结构500的阳极510、阴极520分别与发射极300、栅极430电连接。

现有的绝缘栅极晶体管的栅极430与发射极300之间的栅极氧化层420的厚度较薄，这会使得栅极430和发射极300之间的耐压能力较低。在使用过程中，静电(特别是高达上千福特的人体静电)容易导致绝缘栅极晶体管的栅极430与发射极300之间被击穿而损坏。所以，本实用新型的发明人增设了二极管结构500，并将二极管的阳极510与发射极300电连接、阴极520与栅极430电连接，利用二极管结构的击穿特性，可使栅极430与发射极300之间的电压不超过二极管的击穿电压Vbr，从而可保护该绝缘栅极晶体管不会被静电击穿而失效。

根据本实用新型的实施例，二极管结构500的具体结构不受特别的限制，只要其具有击穿特性即可，具体例如P包N或N包P等，本领域技术人员可根据所需的击穿电压Vbr进行相应地设计。在本实用新型的一些实施例中，参考图3，阳极510可环绕阴极520设置，如此，可增大PN结的截面，从而减小二极管结构500的大小，并且，还可通过离子注入的方法直接在Si晶片上形成二极管结构500。

根据本实用新型的实施例，参考图4，二极管结构500(图中未标出)与发射极300和栅极430之间可设置有第一绝缘层530，如此，可进一步使二极管结构500与发射极300、栅极430之间绝缘，从而保证绝缘栅极晶体管的正常使用。在本实用新型的一些实施例中，第一绝缘层530的材料可与栅极氧化层420的材料相同，如此，可通过一次工艺形成栅极氧化层420和第一绝缘层530，从而无需为了制作二极管结构而额外增加工艺步骤，进而不会增加制作难度或成本。

根据本实用新型的实施例，参考图4，二极管结构500(图中未标出)远离漂移区100的表面上可设置有第二绝缘层540，且第二绝缘层540具有第一过孔A1和第二过孔A2，并且，发射极300通过穿过第一过孔A1的第一导线710与阳极510电连接，而栅极430通过穿过第二过孔A2的第二导线720与阴极520电连接。如此，在充分保证绝缘栅极晶体管正常使用的同时，还可通过金属导线的连接可实现二极管结构500的阳极510、阴极520分别与发射极300、栅极430电连接。

根据本实用新型的实施例，参考图4，绝缘栅极晶体管还可进一步包括栅极绝缘层440，该栅极绝缘层440设置在栅极430远离漂移区100的表面，且栅极绝缘层440在漂移区100上的正投影覆盖栅极430在漂移区100上的正投影，而且，第二导线720通过栅极绝缘层440上的第三过孔A3与栅极430电连接。如此，栅极绝缘层440在制作过程中或使用过程中充分保护栅极430，从而使该绝缘栅极晶体管的器件稳定性更好。在本实用新型的一些实施例中，第二绝缘层540可与栅极绝缘层440的材料相同，如此，可通过一次工艺形成栅极绝缘层440和第二绝缘层540，从而无需为了制作二极管结构而额外增加工艺步骤，进而不会增加制作难度或成本。

在本实用新型的一些实施例中，阳极510还可与P阱区200的材料相同，如此，可通过一次工艺形成P阱区200和阳极510，具体例如硼离子注入等，只要在光刻板上增加阳极510的开窗即可，从而无需为了制作二极管结构而额外增加工艺步骤，进而不会增加制作难度或成本。在本实用新型的一些实施例中，阴极520还可与发射极300的材料相同，如此，可通过一次工艺形成发射极300和阴极520，具体例如氮离子或砷离子注入等，只要在光刻板上增加阴极520的开窗即可，从而无需为了制作二极管结构而额外增加工艺步骤，进而不会增加制作难度或成本。

根据本实用新型的实施例，栅极氧化层420的厚度可不超过200nm，且二极管结构500的击穿电压Vbr可为20～30V，如此，在保证绝缘栅极晶体管的低压驱动的同时，还可保证栅极430与发射极300之间的耐压能力在30V左右，并且，本领域技术人员可根据调整制作阳极510和阴极520的工艺来调整二极管结构500的具体击穿电压Vbr。

在本实用新型的一些实施例中，参考图4，绝缘栅极晶体管还可进一步包括集电极600，该集电极600设置在漂移区100远离沟槽410的一侧，如此，可使绝缘栅极晶体管的结构更完善、功能更好且器件稳定性更佳。

根据本实用新型的实施例，栅极430的具体个数不受特别的限制，具体例如1个或2个等，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)，等等，本领域技术人员可根据该绝缘栅极晶体管的具体使用要求进行相应地设计，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本实用新型实施例的绝缘栅极晶体管，其结构中设计的二极管的阳极、阴极分别与发射极、栅极电连接，如此，当外界静电施加于栅极和发射极之间的电压大于二极管的击穿电压Vbr时，二极管结构具有的击穿特性可使栅极和发射极之间的电压维持在安全的Vbr，从而保护绝缘栅极晶体管结构不被静电击穿而失效。

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绝缘栅极型晶体管，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；而至少一个绝缘栅极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，其绝缘栅极晶体管具有防静电功能，从而使该智能功率模块的使用寿命更长。本领域技术人员能够理解的是，前面针对绝缘栅极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，其智能功率模块的使用寿命更长，从而提高该空调器的使用性能更好、使用寿命也更长。本领域技术人员能够理解的是，前面针对绝缘栅极晶体管、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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

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 (13)

1.一种绝缘栅极晶体管，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；

发射极，所述发射极设置在所述P阱区远离所述漂移区的一侧；

沟槽，所述沟槽开设在所述发射极、所述P阱区和所述漂移区内，且贯穿所述发射极和所述P阱区；

栅极氧化层，所述栅极氧化层设置在所述沟槽中，且覆盖所述沟槽的表面；

栅极，所述栅极填充在所述栅极氧化层远离所述漂移区的一侧；

二极管结构，所述二极管结构设置在所述发射极和所述栅极之间，且所述二极管结构的阳极、阴极分别与所述发射极、所述栅极电连接。

2.根据权利要求1所述的绝缘栅极晶体管，其特征在于，所述阳极环绕所述阴极设置。

3.根据权利要求1所述的绝缘栅极晶体管，其特征在于，所述二极管结构与所述发射极和所述栅极之间设置有第一绝缘层。

4.根据权利要求3所述的绝缘栅极晶体管，其特征在于，所述第一绝缘层的材料与所述栅极氧化层的材料相同。

5.根据权利要求3所述的绝缘栅极晶体管，其特征在于，所述二极管结构远离所述漂移区的表面上设置有第二绝缘层，且所述第二绝缘层具有第一过孔和第二过孔，并且，所述发射极通过穿过所述第一过孔的第一导线与所述阳极电连接，所述栅极通过穿过所述第二过孔的第二导线与所述阴极电连接。

6.根据权利要求5所述的绝缘栅极晶体管，其特征在于，进一步包括栅极绝缘层，所述栅极绝缘层设置在所述栅极远离所述漂移区的表面，且所述栅极绝缘层在所述漂移区上的正投影覆盖所述栅极在所述漂移区上的正投影，而且，所述第二导线通过所述栅极绝缘层上的第三过孔与所述栅极电连接。

7.根据权利要求6所述的绝缘栅极晶体管，其特征在于，所述第二绝缘层与所述栅极绝缘层的材料相同。

8.根据权利要求1所述的绝缘栅极晶体管，其特征在于，所述阳极与所述P阱区的材料相同。

9.根据权利要求1所述的绝缘栅极晶体管，其特征在于，所述阴极与所述发射极的材料相同。

10.根据权利要求1所述的绝缘栅极晶体管，其特征在于，所述栅极氧化层的厚度不超过200nm，所述二极管结构的击穿电压为20～30V。

11.根据权利要求1所述的绝缘栅极晶体管，其特征在于，进一步包括集电极，所述集电极设置在所述漂移区远离所述沟槽的一侧。

12.一种智能功率模块，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1～11任一项所述的绝缘栅极晶体管，所述至少一个绝缘栅极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。

13.一种空调器，其特征在于，包括权利要求12所述的智能功率模块。