[發明專利]一種具有P型浮空層的載流子存儲槽柵IGBT

無效

• 申請號: 200910167911.2
• 申請日: 2009-10-16
• 公開（公告）號: CN101694850A
• 公開（公告）日: 2010-04-14
• 發明（設計）人: 李澤宏;馬榮耀;張波;王蓉
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L29/739
• 分類號: H01L29/739;H01L29/423;H01L29/06
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 葛啟函

技術領域

一種具有P型浮空層的載流子存儲槽柵IGBT結構，屬于半導體功率器件技術領域。

背景技術

絕緣柵雙極型晶體管，是一種發展迅速、應用廣泛的電力電子器件。它是利用MOSFET的輸入阻抗高、驅動電路簡單和雙極型晶體管電流密度大、飽和壓降低的優點組合成的新器件。現廣泛應用于電磁爐、UPS不間斷電源、汽車電子點火器、變頻器、馬達傳動系統及其它能量轉換裝置。

IGBT最初于1982年提出，為穿通型結構，如圖1所示，它是在高濃度的P⁺襯底2上依次外延生長N型緩沖層3、N^-基區層4后制造成的絕緣柵雙極型晶體管結構。由于存在N型緩沖層3，電場在N型緩沖層3中將得到終止，從而形成一個梯形的電場分布，如圖1所示，故利用較薄的N^-基區即可得到較高的擊穿電壓，有利于降低導通電阻，從而降低靜態功耗，但是由于P⁺襯底相對較厚，濃度很高，使得背發射結的注入效率很高，關斷時電子基本不能從背發射區流出，只靠在基區的復合消失，從而其關斷時間很長，增大了開關損耗，在制造時往往需要增加壽命控制。同時，在制造大于600V的高壓穿通型IGBT時，所需外延層厚度的增加，使得制造成本大大增加。其后，發展了非穿通型絕緣柵雙極型晶體管，其結構如圖2所示，它是在單晶N^-襯底上制造的，在表面結構完成以后通過離子注入形成薄且較輕摻雜的背P⁺區22(通常稱為透明集電極)，降低了背發射區注入效率，明顯改善了關態延遲，并且導通壓降呈正溫度系數，功耗和電流拖尾隨溫度的變化小，因不用外延片和不用壽命控制技術而成本較低。但是，非穿通型絕緣柵雙極型晶體管在采用透明集電區技術提高開關速度的同時，由于沒有了N型緩沖層，電場將終止于N^-基區，從而形成一個三角形的電場分布，如圖2所示，故為了保證耐壓必須采用相對較寬的N^-基區，導致導通電阻的增大，也就增加了靜態損耗。特別是在承受高電壓時，導通損耗增加將更為顯著。所以，只通過降低背發射區注入效率來優化正向導通壓降和關斷損耗的矛盾關系，其作用是很有限的，文獻K.Sheng，F.Udrea，G.A.J.Amaratunga，“Optimum?carrier?distribution?of?the?IGBT”(絕緣柵雙極型晶體管載流子濃度分布的優化)，Solid-State?Electronics?44，1573-1583，2000指出，要實現正向導通壓降和關斷損耗之間較好的優化，這和載流子在N^-基區的分布密切相關，增大發射極一側載流子的濃度，降低集電極一側載流子的濃度有利于實現它們之間更好的優化。

溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管，如圖3所示，是絕緣柵雙極型晶體管的另一個發展方向，它采用溝槽柵結構代替平面柵，改善了器件的導通特性，降低了導通電阻。在溝槽柵結構中，平面柵結構中的JFET被干法刻蝕的工藝很好地挖去了，連同包圍這個區域、延伸到原來柵極下形成溝道的部分P型基區也都挖掉。于是N⁺源區9和留下的P型基區8就暴露在該溝槽的側壁，通過側壁氧化等一系列特殊加工，側壁氧化層外側的P型基區8內形成了垂直于硅片表面的溝道。工作時電流從N^-基區4直接流進垂直溝道而進入N⁺源區9，使得元胞密度增加，電流密度增加，閂鎖效應減小。但是溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管在高溫工作時，一方面由于溫度升高，載流子壽命增加，PNP晶體管放大系數變大，導致流過P型基區8的空穴電流變大；另一方面，溫度升高使得空穴的遷移率大大降低，P型基區8的電阻增加；這兩方面原因都會導致傳統溝槽絕緣柵雙極型晶體管由于溫度的升高，抗閂鎖能力大幅度降低，安全工作區也隨之減小，可靠性降低，如何尋求具有更好的高溫抗閂鎖能力是迫切需要解決的問題。另外，溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管的飽和電流密度增加，也使得短路安全工作區(SCSOA)減小。