[發明專利]一種具有改善型集電極結構的IGBT

有效

• 申請號: 201010191133.3
• 申請日: 2010-06-04
• 公開（公告）號: CN101887913A
• 公開（公告）日: 2010-11-17
• 發明（設計）人: 朱袁正;葉鵬;胡永剛
• 申請（專利權）人: 無錫新潔能功率半導體有限公司
• 主分類號: H01L29/739
• 分類號: H01L29/739;H01L29/36
• 代理公司: 無錫市大為專利商標事務所 32104
• 代理人: 曹祖良

技術領域

本發明涉及一種功率半導體器件，尤其是一種具有改善型集電極結構的IGBT。

背景技術

絕緣柵雙極型晶體管IGBT(Insulated?Gate?Bipolar?Transistor)于二十世紀八十年代被提出和迅速推廣，現已廣泛應用于中高壓大電流領域，并同MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應晶體管)將功率電子技術推向了高頻時代，對比其它種類的功率半導體，如雙極型晶體管、MOSFET；所述絕緣柵雙極型晶體管能夠以更低的功率損耗處理更高的功率，并且能夠工作于高頻的電路當中，是IGBT最為突出的特點和優勢。目前，已經被廣泛生產和使用的IGBT種類包括有：穿通型IGBT(PT-IGBT)、非穿通型IGBT(NPT-IGBT)、場截止型IGBT(FS-IGBT)，上述種類的IGBT都為既能降低功率損耗、又能提高工作頻率的初衷和目標被設計和發展。IGBT的功率損耗主要包括通態損耗和開關損耗。導通狀態時器件的電壓降(簡稱通態壓降)越低，通態損耗越低；器件開關時間越短、關斷時的拖尾電流越小，開關損耗越低。

除了功率損耗以外，IGBT的抗沖擊能力也是評價器件性能的另一重要特性。以非穿通型IGBT為例，其單個元胞的結構示意圖和等效電路圖分別如圖1和圖2所示。當非穿通型IGBT關斷時，圖2等效電路中的二極管的反向恢復電流電壓波形示意圖如圖3，其中，I_RM為最大反向恢復電流，V_RM為最大反向恢復電壓，Q_R為反向恢復電荷，t_m為反向恢復時間，并且，我們通常用軟化因子S來描述反向恢復電流：S＝(t₂-t₁/(t₁-t₀)，t₀、t₁與t₂分別表示對應的時間點。這種利用軟化因子S表征方法一直被廣泛采用，通常要求軟化因子S越大越好，因為越小，它會在電路電感中產生較高的電動勢，這個電勢疊加于電源電壓之上，一起加在二極管及與其并聯的開關元件上，我們稱之為過沖電壓。這個電勢不僅提高了二極管和開關元件的電壓要求及成本，而且是對器件的一大威脅。

目前已知常用的非穿通型IGBT，其集電極結構包括P+集電區，如中國專利CN?101452951《非穿通(NPT)絕緣柵雙極型晶體管IGBT及其制造方法》中附圖。目前非穿通型IGBT的集電極結構還包括集電極短路結構，所述集電極短路結構由短路N+區與P型集電區相間排列形成，并且N+區連通P型集電區下面的金屬化集電極與P型集電區上面的N-漂移區；如中國專利CN?101478001A《一種具有空穴注入結構的集電極短路IGBT》中附圖4。上述兩種集電極結構擁有一個共同的特點：即構成集電區的P型集電區摻雜濃度固定不變，且摻雜濃度較濃。P型集電區摻雜濃度越濃，IGBT在正向導通狀態下，所述P型集電區作為PNP雙極型晶體管的發射區的注入效率就會越高，空穴電流就會越大，從而通態壓降就會越低；然而，由于注入效率的提高，導致器件反向恢復電荷、反向恢復時間和拖尾電流都將增大，增加了器件關斷時的功率損耗，并且，由于P型集電區與N-型漂移區間的濃度梯度非常大，使得注入進P型集電區的少數載流子數量非常有限，這些少數載流子在反向恢復過程中被迅速掃出或復合，增加了反向恢復的硬度，即S值較小，降低了器件的耐沖擊性。相反，如果降低P型集電區的雜質濃度，那么器件的通態壓降又會增大，導致通態耗損增加，同樣不利于器件性能。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種具有改善型集電極結構的IGBT，其通態壓降低，具有較低的關斷損耗及較高的耐沖擊性能。

按照本發明提供的技術方案，所述具有改善型集電極結構的IGBT，在所述半導體IGBT器件的截面上，包括具有兩個相對主面的第一導電類型的半導體基板，半導體基板包括第一主面與第二主面；所述半導體基板的第二主面上設置第二導電類型集電區，所述第二導電類型集電區上淀積有金屬化集電極；所述半導體基板內設有第二導電類型基區，所述第二導電類型基區鄰近第一主面，且與第一主面相接觸；所述第二導電類型基區的上部設有第一導電類型發射區；所述半導體基板的第一主面上還設有絕緣柵、絕緣介質層與金屬化發射極；所述絕緣柵與第一導電類型發射區相接觸，所述絕緣柵與金屬化發射極利用絕緣介質層相隔離；所述金屬化發射極淀積在第一主面上，并與第一導電類型發射區、第二導電類型基區電性接觸；其創新在于：