[發明專利]一種具有混合導電模式的超結IGBT器件

有效

• 申請號: 201711020958.7
• 申請日: 2017-10-27
• 公開（公告）號: CN107768429B
• 公開（公告）日: 2020-11-13
• 發明（設計）人: 張金平;趙倩;劉競秀;李澤宏;任敏;張波
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/08;H01L29/739
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 敖歡;葛啟函

本發明提供一種具有混合導電模式的超結IGBT器件，包括相間排列的N+集電區和P型集電區、N型緩沖層、超結N柱區和超結P柱區組成的超結漂移區、溝槽MOS結構、二氧化硅層，二氧化硅層的上表面深入N型緩沖層和超結漂移區并與超結P柱區相接觸，二氧化硅層將超結P柱區兩邊的N型緩沖層相隔離；超結漂移區與表面MOS結構Pbody基區不相接觸，本發明所提出的一種具有混合導電模式的超結IGBT，經仿真驗證可以完全消除傳統SJ?RC?IGBT的Snapback現象，而且可以通過調整N⁺集電區與P⁺集電區的面積比例改變SJ?VDMOS和SJ?IGBT兩部分的比例，使其兼具SJ?VDMOS和SJ?IGBT兩者的優點，同時實現反并聯二極管的集成，提高器件的整體性能。

技術領域

本發明涉及功率半導體器件技術領域的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，具體為一種具有混合導電模式的超結IGBT器件。

背景技術

VDMOS(Vertical Double-diffusion Metal-Oxide-Semiconductor)是一種多子導電器件，與雙極晶體管相比，它的開關速度快、開關損耗小、頻率特性好；同時它具有普通MOS器件的優點：輸入阻抗高、驅動功率小。此外，由于其本身結構的特點，內部集成一個反并聯二極管，使其應用更加簡單。由于以上優點，VDMOS已廣泛應用于電機調速、逆變器、開關電源、電子開關、高保真音響等領域。但是其導通電阻與擊穿電壓滿足：R_ON∝BV^2.5，隨著器件耐壓的增高，VDMOS需要更厚的漂移區和更低的漂移區摻雜濃度，使得導通電阻增大，導致較高的通態損耗。超結(Super Junction，SJ)結構VDMOS(如圖1所示)是一種漂移區上的結構創新，由滿足電荷平衡條件(Q_P＝Q_N)的交替P柱區和N柱區組成。其對應的導通電阻與擊穿電壓滿足：R_ON∝BV^1.32，可以同時獲得低通態功耗和高阻斷電壓。但是隨著耐壓級別的提高，通態損耗仍顯著增大。

IGBT(Insulate Gate Bipolar Transistor)是一種雙極型導電器件。與VDMOS相比，它的導通損耗更低，同時也具有MOSFET輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單的優點，所以被廣泛應用于電磁爐、UPS不間斷電源、汽車電子點火器、三相電動機變頻器、電焊機開關電源等產品中。但在關斷的過程中由于其漂移區中存在大量過剩載流子，造成電流拖尾的現象，影響器件的開關頻率。SJ-IGBT(Super Junction Insulate Gate BipolarTransistor)(如圖2所示)結合了IGBT和超結結構的優點，具有更低的導通壓降和更快的開關頻率，是一種極具發展前景的IGBT器件，但是由于其內部沒有集成二極管，所以在應用時需要外接一個反并聯的二極管，進而增加了IGBT的制造成本，帶來封裝、焊接等難題，降低了IGBT芯片的可靠性。

2002年E.Napoli等人提出了一種能夠實現反向導通的IGBT稱為RC-IGBT(ReverseConducting-Insulated Gate Bipolar Transistor)，通過在集電極側引入N⁺集電區的方法實現了IGBT和二極管的集成。采用RC結構的SJ-RC-IGBT如圖3所示，但是在正向導通時，當其導電模式由單極性轉換成雙極性時出現負阻(Snapback)現象，這將使IGBT在并聯應用時不能完全開啟，從而存在可靠性方面的問題。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明旨在提供一種具有混合導電模式的超結IGBT器件，在不影響IGBT其他性能參數的條件下，能使其形成同時具有單極性和雙極性兩種導電機制的混合導電模式，從而避免傳統RC-IGBT由單極性轉換成雙極性導電時帶來的電流突變，從而消除Snapback現象，同時內部集成反并聯二極管，提高功率器件的集成度和可靠性。

為實現上述發明目的，本發明技術方案如下：