[發明專利]一種P型絕緣柵雙極型晶體管結構

有效

• 申請號: 201310496804.0
• 申請日: 2013-10-22
• 公開（公告）號: CN103618002A
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發明（設計）人: 孫偉鋒;戴偉楠;楊卓;孫華芳;祝靖;陸生禮;時龍興
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01L29/739
• 分類號: H01L29/739;H01L29/06
• 代理公司: 江蘇永衡昭輝律師事務所 32250
• 代理人: 王斌

技術領域

本發明屬于功率半導體器件技術領域，涉及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，更具體的說，涉及一種低導通電阻、高電流能力、高耐壓的P型絕緣柵雙極型晶體管結構。?

背景技術

當前，隨著現代化和信息化時代的發展，半導體功率器件在功率變換、電能控制等領域起著越來越重要和不可替代的作用。如今，功率器件正朝著提高工作電壓、增加工作電流、減小導通電阻和提高可靠性的方向發展。絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)利用電導調制效應，使其導通壓降大幅降低，可作為一種有效的柵極控制開關器件，迎合了功率器件的發展方向，成為了中高壓開關、中頻變頻器不可或缺的功率產品。?

絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)可以看作場效應晶體管(MOSFET)和雙極型晶體管(BJT)的結合。傳統的IGBT器件結構如圖1所示，在該結構中，P⁺接觸區8、N型基區7、P^-外延層4和N⁺襯底2形成了類似于晶閘管的PNPN四層三結結構。其中NPN晶體管的發射極為IGBT的集電極1，接低電位；NPN管的基區和PNP管的集電區是同一個區域，即IGBT的P^-外延層4；NPN管的集電區和PNP管的基區是同一個區域，即IGBT的N型基區7；PNP管的發射極為IGBT的發射極13，接高電位。在正向導通狀態下，?IGBT結構的MOS溝道開啟，有大量空穴流入P^-外延層4（即NPN管基區）。同時，IGBT的集電極（即NPN管發射極）為低電位，此時，NPN管中發射結壓降超過PN結開啟電壓，使NPN管開啟，向P^-外延層4注入大量電子并流到IGBT的發射極（即NPN管集電極），其電流放大倍數可以用β表示。要降低IGBT的導通電阻，增加工作電流可以增大器件的β值。傳統結構的IGBT由于P^-外延層4（即NPN管基區）的寬度很寬，導致NPN管β值很小，制約了IGBT的導通電流能力。?

因而，如何在保證IGBT的耐壓條件下，IGBT增加電流能力成為提升IGBT性能的一個重要關注點。?

發明內容

???????本發明的目的在于提供一種P型絕緣柵雙極型晶體管，能夠在保證耐壓的條件下，進一步降低IGBT的導通電阻，增加工作電流。同時，本發明能夠提高器件的抗閂鎖能力。?

???????本發明技術方案如下：?

???????一種P型絕緣柵雙極型晶體管結構，包括兼做集電區的N型摻雜硅襯底，在N型摻雜硅襯底下方設有集電極金屬，在N型摻雜硅襯底上方設有P型摻雜硅緩沖層，在P型摻雜硅緩沖層上方設有P型輕摻雜硅外延層，在P型輕摻雜硅外延層內設有N型摻雜半導體區，在N型摻雜半導體區中設有P型重摻雜半導體區和N型重摻雜半導體區，其特征在于，在P型輕摻雜硅外延層內還設有N型柱，在N型柱和P型輕摻雜硅外延層之間設有介質層，在N型柱中也設有N型重摻雜半導體區，在P型輕摻雜硅外延層上方設有柵氧化層，在柵氧化層上方設有多晶硅柵，并且，所述多晶硅柵始于介質層的上方并止于與介質層相鄰的P型重摻雜半導體區的上方，在多晶硅柵上方設有氧化層，在氧化層上方設有發射極金屬，P型重摻雜半導體區和N型重摻雜半導體區與發射極金屬電連接。

與傳統P型絕緣柵雙極型晶體管相比，本發明具有如下優點：?

1、本發明結構在傳統的P型絕緣柵雙極型晶體管中引入N型柱，獲得窄基區NPN管，增大現有絕緣柵雙極型晶體管中NPN管的電流放大倍數β，達到降低IGBT導通電阻、提高工作電流的目的。下面以本發明提供的P型絕緣柵雙極型晶體管為例說明本發明的工作原理：

本發明結構中N⁺襯底2，P型緩沖層3和N型柱5形成了NPN晶體管，和傳統IGBT中由N⁺襯底2，P型緩沖層3，P型外延層4和N型基區7組成的NPN結構相比，本發明提供的NPN晶體管具有更窄的基區寬度，因此具有更大的放大倍數β。

在正向導通狀態下，IGBT的溝道開啟，有大量空穴電流經過P型外延層流到P型緩沖層，其中一部分作為窄基區NPN晶體管的基極電流。同時，IGBT的集電極1（即NPN管發射極）為低電位，此時，NPN管中發射結壓降超過PN結開啟電壓，向P型緩沖層3注入大量電子。大量的電子通過N型柱5直接流到IGBT的發射極，從而增大了IGBT的工作電流。?