[發(fā)明專利]一種具有凹槽柵型JFET結(jié)構(gòu)的IGBT器件

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810549474.X
• 申請日: 2018-05-31
• 公開（公告）號: CN108766998B
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李澤宏;彭鑫;殷鵬飛;楊洋;張金平;高巍;任敏;張波
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/40;H01L29/739;H01L21/331
• 代理公司: 成都點(diǎn)睛專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51232
• 代理人: 葛啟函

一種具有凹槽柵型JFET結(jié)構(gòu)的IGBT器件，屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過在器件正向阻斷時體區(qū)中產(chǎn)生耗盡區(qū)之外的中性區(qū)引入等效為JFET可變電阻的JFET區(qū)，在器件正向?qū)〞r存儲空穴，正向阻斷時為空穴提供快速泄放回路，從而降低了器件的飽和導(dǎo)通壓降和關(guān)斷損耗，避免了器件關(guān)斷后發(fā)生的短路失效現(xiàn)象，提高了器件的關(guān)斷能力；并且，連接?xùn)艠O結(jié)構(gòu)與JFET區(qū)的連接橋在器件正向阻斷時能夠起到場板的作用，從而能夠有效降低連接橋下方區(qū)域表面電場峰值，提高器件的耐壓和工作可靠性；本發(fā)明器件制作與現(xiàn)有IGBT制作工藝兼容，JFET區(qū)的制作通過淺槽刻蝕和離子注入工藝，有利于減小JFET區(qū)柵極電阻，增強(qiáng)JFET結(jié)構(gòu)的柵控能力；有助于減小JFET結(jié)構(gòu)尺寸，提高元胞密度，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有凹槽柵型JFET結(jié)構(gòu)的IGBT器件。

背景技術(shù)

隨著軌道交通、智能電網(wǎng)、綠色能源等領(lǐng)域的快速發(fā)展，絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)憑借其柵極控制簡單、輸入阻抗高、開關(guān)速度快、電流密度大、飽和壓降低等優(yōu)勢，已經(jīng)成為了中高功率電力電子領(lǐng)域的主流功率開關(guān)器件之一；同時還將繼續(xù)朝著高壓、大電流、高工作溫度和高可靠性等方向發(fā)展。IGBT器件的高壓場合應(yīng)用，特別在電機(jī)驅(qū)動過程中，器件兩端會經(jīng)歷短路情況；器件在負(fù)載短路情況下導(dǎo)通，導(dǎo)致存在短暫的溫度急劇上升。而高溫過程往往容易誘發(fā)器件因動態(tài)雪崩、閂鎖效應(yīng)、關(guān)斷后漏電過大而失效。IGBT短路失效從時間上表現(xiàn)為立刻失效和延遲失效，延遲失效(delayed break)現(xiàn)目前是高壓IGBT器件的常見失效模式，其本質(zhì)上是由溫度升高而引發(fā)的熱奔現(xiàn)象。

現(xiàn)目前高壓IGBT通常采用平面柵結(jié)構(gòu)，并用于高鐵、電力輸運(yùn)等對于可靠性(特別是短路能力)要求很高的場合。研究人員為了提高IGBT器件的短路能力，提出平面柵型高電導(dǎo)調(diào)制IGBT(HiGT)和平面柵型發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻IGBT(EBR-IGBT)等諸多結(jié)構(gòu)。但是由于平面柵型IGBT存在寄生JFET區(qū)電阻，其本身飽和壓降較大，增加了通態(tài)損耗。因此ABB和Hitachi等國外企業(yè)陸續(xù)推出槽型柵IGBT。槽型柵IGBT的元胞具有高溝道密度的特點(diǎn)，這就使得器件在發(fā)生短路時的短路電流相比于額定電流有更加明顯的提高，因此更加容易導(dǎo)致高壓器件因熱失效而燒毀，從而降低了器件的關(guān)斷可靠性。目前提升槽柵型IGBT的抗短路能力主要方法是增大元胞間距，降低電流密度，因此發(fā)展出諸如Dummy cell、Plug Cell等器件結(jié)構(gòu)。然而，增大元胞間距的同時器件的導(dǎo)通壓降也隨之增大。為了解決上述矛盾，研究人員借助于發(fā)射極載流子增強(qiáng)技術(shù)，進(jìn)一步提出浮空P-base區(qū)(Floating Pbase，F(xiàn)P)結(jié)構(gòu)。但是，槽柵之間的FP區(qū)，在正向?qū)〞r存儲過量空穴，會引入負(fù)柵電容效應(yīng)在柵極產(chǎn)生位移電流，影響柵控制能力；關(guān)斷時空穴電流泄放需要時間，使得器件的關(guān)斷損耗增加。同時，空穴在關(guān)斷過程中若不能及時從FP區(qū)中抽取，會造成關(guān)斷后泄漏電流過大，進(jìn)而誘發(fā)延遲失效，降低器件的關(guān)斷能力。現(xiàn)有方案通過引入鉗位二極管和擴(kuò)散電阻等方式，為關(guān)斷時的FP區(qū)空穴提供泄放通路，但是暴露出泄放效率較低、器件擊穿電壓受損等問題。綜上所述，如何在不影響器件基本特性的基礎(chǔ)上解決高壓IGBT器件的延遲短路現(xiàn)象，而且兼顧關(guān)斷損耗、短路承受時間和飽和導(dǎo)通壓降的折衷關(guān)系，成為了本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于上文所述，本發(fā)明針對現(xiàn)目前高壓IGBT器件所存在的延遲短路現(xiàn)象，提供了一種具有凹槽柵型JFET結(jié)構(gòu)的IGBT器件，通過在器件正向阻斷時體區(qū)中產(chǎn)生耗盡區(qū)之外的中性區(qū)引入等效為JFET可變電阻的JFET區(qū)，從而為關(guān)斷時的空穴提供泄放路徑，以此降低飽和導(dǎo)通壓降和關(guān)斷損耗，提升高壓IGBT器件的關(guān)斷能力。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：