[發明專利]一種具有表面雙柵控制的橫向RC-IGBT器件

有效

• 申請號: 201710490849.5
• 申請日: 2017-06-23
• 公開（公告）號: CN107342286B
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 趙建明;危兵;徐開凱;范洋;范世杰;舒心銘;雷浩東;胡明稹
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L27/06
• 分類號: H01L27/06;H01L29/739
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 吳姍霖

一種具有表面雙柵控制的橫向RC?IGBT器件，屬于功率半導體技術領域。該器件在傳統結構的續流二極管上串聯了一個MOS管，通過第二柵極來控制這個MOS管開啟與關閉，達到和傳統結構相同的器件功能：當RC?IGBT正向工作時，MOS管關閉，傳統結構中的N+集電區被MOS管隔離，此時器件相當于純粹的IGBT，完全消除了傳統結構中的電壓折回現象；當器件反向工作時，通過第二柵極來控制MOS管開啟，續流二極管得以正常工作。同時，與傳統的縱向結構器件不同，本發明屬于橫向器件，器件建立在外延層上，器件的實現無需背面工藝，大大降低了工藝難度；通過RESURF結構，也增強了器件的橫向耐壓能力。

技術領域

本發明屬于功率半導體器件技術領域，具體涉及一種具有表面雙柵控制的橫向RC-IGBT(逆導型絕緣柵雙極型晶體管)器件。

背景技術

功率半導體器件以其耐壓高、對大電流的控制能力強等特點，已廣泛應用于航天、能源、工業等領域。IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)作為功率半導體技術領域的熱門器件，既擁有MOSFET高輸入阻抗、低功耗的特點，又擁有BJT強大的電流控制能力，其耐壓值從幾百伏到幾千伏不等。IGBT雖然擁有強大的功率管理能力，但其卻只具備單向導通能力，這一點極大地限制了它的應用。為了解決IGBT只具備單向導通能力的缺陷，最初是通過外接一個反向并聯的二極管，形成IGBT二極管對并封裝在一起，使反向的無功電流得以通過，反向并聯的二極管被稱為續流二極管(FWD)；然而隨后人們卻發現該方法存在IGBT與續流二極管的性能不匹配、成本上升等問題。為了解決上述問題，人們開始將IGBT和二極管集成在一塊芯片上，形成一個新的器件并稱之為RC-IGBT(逆導型絕緣柵雙極型晶體管)。傳統的RC-IGBT通過在背面引入N⁺collector(N⁺集電區)，然后與IGBT共用一個P^—body區(P^-體區)來形成續流二極管，其結構如圖1所示；與外接反向二極管相比，RC-IGBT確實有了性能上的提升，也降低了成本，但是也伴隨著一些問題，如電壓折回(voltage snapback)現象等。電壓折回現象的產生原因便是由于N+collector的引入，使得從集電極到發射極存在經由MOS管的直接通路，其等效電路如圖2所示，進而導致在電壓較小時，MOS管先開啟，此時電流較小；當電壓增大到一定程度時，雙極型晶體管才會打開，大量的少子注入到N-漂移區(N^--drift)，使得導通電阻急劇減小，電流迅速增大出現負阻效應(器件的電壓-電流曲線出現負的斜率)，即所謂的電壓折回現象。另外，傳統的RC-IGBT是縱向器件，背面工藝的引入也使得工藝的實施難度上升。

發明內容

本發明的目的是為了消除傳統結構中的電壓折回現象，減小工藝實施難度，增強橫向器件的耐壓能力，而提出一種具有表面雙柵控制的橫向RC-IGBT器件。

本發明采用的技術方案如下：

一種具有表面雙柵控制的橫向RC-IGBT器件，由多個相同的元胞結構連接形成，所述元胞結構由兩個相互對稱的對稱結構組成，如圖4所示，其中一個對稱結構包括發射極結構、第一MOS區結構、N-外延層1、集電極結構以及P型襯底8；所述發射極結構包括第一金屬電極6、位于第一金屬電極6下方的P+發射區7和N+發射區5，第一金屬電極6與P+發射區7和N+發射區5分別形成歐姆接觸；所述第一MOS區結構包括第一柵極4、第一介質隔離層3和第一P-體區2，其中，第一介質隔離層3位于第一柵極4的下方并與之接觸，位于第一介質隔離層3的下方并與其接觸的區域，從左到右依次是：N+發射區5、第一P-體區2、N-外延層1；所述集電極結構包括第二金屬電極10、位于第二金屬電極10下方的P+集電區9和N+集電區11，第二金屬電極10與P+集電區9和N+集電區11分別形成歐姆接觸；其特征在于，所述其中一個對稱結構還包括第二MOS區結構；所述第二MOS區結構包括第二柵極12、第二介質隔離層13、第二P-體區14，其中，第二介質隔離層13位于第二柵極12的下方并與之接觸，位于第二介質隔離層13的下方并與其接觸的區域，從左到右依次是：N-外延層1、第二P-體區14、N+集電區11。