[發明專利]一種載流子儲存槽柵雙極型晶體管

無效

• 申請號: 201210315629.6
• 申請日: 2012-08-31
• 公開（公告）號: CN102800691A
• 公開（公告）日: 2012-11-28
• 發明（設計）人: 陳萬軍;齊躍;汪志剛;張波;李澤宏
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L29/10
• 分類號: H01L29/10;H01L29/739
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 溫利平

技術領域

本發明屬于功率半導體器件技術領域，涉及載流子儲存槽柵雙極型晶體管（Carrier?Stored?Trench?Bipolar?Transisitor，簡稱：CSTBT）。

背景技術

高壓功率半導體器件是功率電子的重要組成部分，在諸如動力系統中的電機驅動，消費電子中變頻等領域具有廣泛的應用。在應用中，高壓功率半導體器件需要具有低導通功耗，大導通電流，高電壓阻斷能力，柵驅動簡單，低開關損耗等特性。絕緣柵雙極型晶體管(Insulated?Gate?Bipolar?Transistor，簡稱：IGBT）由于其在中高壓電力電子領域中展現出優越的性能而得到廣泛的應用。但是，IGBT作為一種雙極型器件，其關鍵參數導通壓降與關斷損耗之間存在折中關系，如何優化這折中關系成為提高IGBT性能的關鍵。H.Takahashi等人在ISPSD`96?proceedings上首次提出了一種新的槽柵型IGBT結構—CSTBT結構。該結構通過在槽柵型IGBT的P型基區與N-漂移區之間添加一層濃度較高的N+載流子儲存層（簡稱CS層，如圖2所示），可以使導通態下的器件的漂移區載流子的濃度提高，進而在不影響關斷特性的情況下降低器件的導通壓降。CSTBT已由日本三菱公司商業化生產，并成為第五代IGBT器件的典型代表。但是，由于CS層的加入，槽柵邊緣處的電勢曲率半徑將大幅度增加，這將導致該處的發生電場集中，器件在槽柵邊緣容易產生提前擊穿的問題。

發明內容

本發明針對常規載流子儲存槽柵雙極型晶體管存在的在柵極邊緣處發生提前擊穿的技術問題，提供一種具有電場調制型基區的載流子儲存槽柵雙極型晶體管（可稱為FMP-CSTBT）。這種FMP-CSTBT在常規的CSTBT的CS層中插入數個摻雜濃度較高的P型條。在器件耐壓的過程中，P型條部分耗盡，產生負的耗盡電荷，從而對槽柵邊緣附近的電場進行調制，降低槽柵邊緣處電勢的曲率半徑，使電場峰值向基區所在PN結轉移，避免了器件的提前擊穿，進而有效提高了器件的反向耐壓能力及穩定性。同時，未完全耗盡的P型條也為少數載流子的輸運提供了額外的抽取通道，進而加快少數載流子的抽取速度，縮短關斷時間，減小關斷損耗。同時，載流子儲存層沿著新的電導調制型基區的輪廓將基區完全包裹，載流子儲存效應依然存在，使FMP-CSTBT保持了CSTBT低導通壓降的優勢。

本發明的技術方案如下：

一種載流子儲存槽柵雙極型晶體管，如圖1所示，包括集電極結構、漂移區結構、發射極結構和柵極結構；所述集電極結構包括P+集電區10和P+集電區10背面的金屬化集電極11；所述漂移區結構包括位于P+集電區10正面的N-層1；所述柵極結構為溝槽柵結構，位于N-層1頂層兩側，由溝槽型多晶硅柵、溝槽型多晶硅柵表面的金屬化柵極4和溝槽型多晶硅柵側面及底面的柵氧化層3構成；所述發射極結構包括P型基區2、位于P型基區2頂部兩側的N+發射區5、位于P型基區2頂部中間的P+接觸區、與N+發射區5和P+接觸區表面接觸的金屬化發射極6，以及位于P型基區2和N-層1之間的N+載流子存儲層7；所述柵極結構中的柵氧化層3側面分別與N+發射區5、P型基區2和N+載流子存儲層7接觸，所述柵極結構中的柵氧化層3底面與N-層1接觸；所述N+載流子存儲層7中還具有若干個均勻分布的P+條8；所述P+條8的頂面與P型基區2接觸、底面與N-層1接觸,且其長度方向平行于整個器件的寬度方向。

本發明提供的載流子儲存槽柵雙極型晶體管，其特點是對圖2所示的常規載流子儲存槽柵雙極型晶體管的P型基區結構進行改進，即在圖2所示的常規CSTBT的P型基區2下添加數個與P型基區2接觸的P+條8；P+條8均勻分布于N+載流子存儲層7中且其長度方向平行于整個器件的寬度方向。這樣，由均勻分布于N+載流子存儲層7中的P+條8與原P型基區2一起構成了新的P型基區。P+條8由離子注入及高溫推結工藝形成，其數目、摻雜濃度、長寬尺寸以及相鄰兩條P+條8之間的間距可根據對電場調制的要求進行優化取值。

本發明提供的載流子儲存槽柵雙極型晶體管，其漂移區結構可與現有各種半導體功率器件的陽極結構、各種現有載流子儲存槽柵雙極型晶體管的漂移區和柵極結構相結合，組合出具有本發明所述陰極結構的載流子儲存槽柵雙極型晶體管。

本發明提供的載流子儲存槽柵雙極型晶體管，其工作原理如下：