[發明專利]一種結合浮柵的IGBT器件結構

在審

• 申請號: 202010008661.4
• 申請日: 2020-01-06
• 公開（公告）號: CN111180512A
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 汪煉成;張羽;彭程;黃強;張磊;滕以然;朱文輝
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01L29/739
• 分類號: H01L29/739;H01L29/423;H01L21/331
• 代理公司: 長沙軒榮專利代理有限公司 43235
• 代理人: 張勇

本發明提供了一種結合浮柵的IGBT器件結構，包括：IGBT結構及浮柵結構，所述IGBT結構包括有一金屬集電極，所述金屬集電極的上方依次設置有P+集電區、N型緩沖層、N?漂移區、P型基區、N+源區和金屬發射極，所述金屬發射極使得位于同側的N+源區與P型基區短接，且所述金屬發射極均接源極電位；所述浮柵結構由隧道氧化層、浮柵電極、柵氧化層和控制柵電極組成，所述浮柵電極通過所述隧道氧化層與所述N?漂移區、P型基區和N+源區隔離，所述控制柵電極通過所述柵氧化層與所述浮柵電極隔離；本發明具有縮短關斷時間、提升關斷穩定性和減小漏電流功能，同時不會增加導通電阻，并且浮柵結構制作工藝簡單，擁有良好的應用效果。

技術領域

本發明涉及功率半導體技術領域，特別涉及一種結合浮柵的IGBT器件結構。

背景技術

近年來，隨著科技的發展，電力軌道機車、風力發電機、高功率大電流電網轉換系統、消費電子、新能源電動汽車等大功率電力電子產品應用越來越廣泛，而其中離不開IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)。IGBT結合了GTR通流能力強，靜態功耗低和MOSFET開關速度快，驅動簡單，熱穩定性好的特點，被廣泛應用于上述功率轉換的領域，它是能源轉換與傳輸的核心器件，是電力電子裝置的“CPU”。

20世紀80年代，IGBT被研究成功并商業化的第一代產品是平面柵穿通型絕緣柵雙極型晶體管，器件的主要工作區域采用外延技術實現，其結構如圖1所示，在高摻雜濃度的P+集電區2上外延生長N型緩沖層3、N-漂移區4，然后采用傳統MOSFET工藝制造MOSFET結構，形成絕緣柵雙極型晶體管器件。由于N型緩沖層3的存在，電場終止于N型緩沖層3，形成梯形的電場分布，所以可采用較薄的N-漂移區4來實現較高的耐壓效果，有效的降低了導通電阻和靜態功耗，提升了IGBT的耐壓，也有利于器件的散熱。由于P+集電區2較厚，背發射結的注入效率較高，在器件關斷時載流子不能從背發射結流出，只能靠在基區的復合消失，導致器件關斷特性較差，關斷時間長，關斷之后沒有保護措施，容易受到電壓波動的干擾。

對于IGBT的關斷過程，主要可分為溝道電流關斷和過剩載流子復合兩個種類，由于MOSFET是單載流子器件，關斷速度比較快，主要的關斷時間是消耗在PNP晶體管關斷的過程。由于沒有載流子泄放的通道，只有依靠載流子在基區的復合來實現關斷后載流子的消耗，因此關斷時間較長，且關斷之后容易受到柵壓波動的影響，產生漏電流；波動柵壓也會促使IGBT內部寄生晶閘管導通，導致柵極對器件的控制失效，器件在閂鎖效應的影響下失控。IGBT關斷時間長，關斷后漏電流大，關斷后容易受波動柵壓影響，其主要原因是關斷后N-漂移區4內的載流子不能立即抽出，解決此問題的主要方法有三種：一是使少數載流子壽命降低，加快復合時間，如采用電子輻射、注入離子等方法，但少數載流子壽命的降低會引起導通壓降溫度系數變為負值，且導通電阻增大，器件功耗增加，不適合于IGBT關斷特性的改進；二是減小背發射結的注入效率，同時也會帶來導通電阻增大的后果；三是建立起新的載流子泄放通道，或者在關斷時提升整個器件的閾值電壓，使器件在原柵壓條件下不滿足導通條件，達到快速穩定關斷的效果。

在IGBT的關斷過程中，由于線路和器件內部分布雜散電感的存在，關斷瞬態時IGBT集電極電流會快速下降到零，與之并接的反向恢復二極管逆向恢復時會感應出一個較高的開關浪涌電壓，若電壓尖峰過大，超出了IGBT正向耐壓極限，就會發生器件過電壓擊穿，因此抑制關斷瞬態時的電壓尖峰的大小對提高器件和系統的可靠性具有重要的意義。電壓尖峰大小與關斷時電流變化率和雜散電感的大小有關，減小電壓尖峰主要有效措施是增大關斷時間，可采取增大柵極驅動電阻等方法，但會增大導通損耗。

現有非易失性存儲技術如Flash存儲器，其基礎構成器件是浮柵晶體管，通過控制浮柵結構中電子的流入流出來實現信息的保存，其可以控制電子流入流出的基本原理是溝道熱電子注入效應(Channel Hot Electron Injection，CHEI)與F-N隧穿效應(FowlerNordheim Tunnelling)。