[發明專利]一種4H-SiC溝槽絕緣柵雙極型晶體管

在審

• 申請號: 202010023544.5
• 申請日: 2020-01-09
• 公開（公告）號: CN111524970A
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發明（設計）人: 王穎;毛鴻凱;曹菲;于成浩
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: H01L29/739
• 分類號: H01L29/739;H01L29/423;H01L29/16;H01L29/06
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 楊舟濤

本發明提出了一種4H?SiC溝槽絕緣柵雙極型晶體管,包括N?電壓阻擋層、N?型緩沖層、P型溝道區、P+歐姆接觸區、N+發射區、P+集電極區、溝槽柵極以及柵極氧化層等；本發明相對于傳統結構，主要提出了在集電極將P+集電區深入到了N?型的電壓阻擋層，同時也引入了間隔分布的p?poly/p?SiC異質結。由于新結構中將P+集電區深入到了N?型電壓阻擋層的內部，所以器件正常工作時其可以進行正常的空穴注入，從而改善正向特性；同時由于集電極區域引入了異質結，其為N?電壓阻擋層中載流子的泄放提供了額外的低阻通路，所以器件關斷時電子的泄放速度明顯加快，進而減小了拖尾電流，降低了關斷損耗。

技術領域

本發明涉及絕緣柵雙極型晶體管器件，尤其是擊穿電壓大于15kV的高壓4H-SiC溝槽絕緣柵雙極型晶體管。

背景技術

Si基器件的性能逐漸達到了材料的極限，已經很難滿足于現代功率電子器件的發展要求，以SiC、GaN為代表的第三代寬禁帶半導體逐漸取代了Si材料而成為現代電力電子器件設計的首選。為了進一步改善4H-SiC絕緣柵雙極晶體管的特性，目前有兩種主流的處理方法：一種是通過設置適當的結構參數，在器件的通態特性和關斷特性之間做出良好的折中；另一種方法就是通過考慮工藝條件，通過設計一種特殊的器件結構，可以在不影響某種特性的前提下改善另一種特性。通過總結前人的研究成果發現，針對IGBT器件的研究大多數是從通態壓降和擊穿電壓的角度出發的，而忽略了器件的關斷特性。

IGBT器件內部由于電導調制效應的存在，使得其通態壓降和關斷損耗往往是相互矛盾的。正向導通時通態壓降的下降往往意味著N-電壓阻擋層中存儲的少數載流子數量增加，進而電導調制效應增強；但是，電壓阻擋層中過量的少數載流子意味著器件關斷時有更多的載流子需要泄放，而載流子的泄放需要更多的時間，所以器件的拖尾電流就會變大，最終導致較大的關斷損耗。如何改善SiC IGBTs器件的導通壓降與關斷損耗之間的折衷關系，一直是業界的研究方向之一。

發明內容

本發明針對現有SiC IGBTs技術中的不足，提出了一種新的器件結構，該結構將P+集電區深入到了N-電壓阻擋層的內部，在器件正常導通時可以進行額外的空穴注入，從而保持通態特性不變；同時集電極部分也引入了間隔分布的p-poly/p-SiC異質結。異質結的存在為N-電壓阻擋層中的少數載流子提供了額外的泄放路徑，從而可以加速電壓阻擋層中電子的泄放速度，降低器件的關斷損耗。器件背面階梯異質結集電極的存在使得通態壓降和關斷損耗有了良好的折中。

實現本發明目的技術方案：

本發明提供一種4H-SiC溝槽絕緣柵雙極型晶體管，包括一個輕摻雜的N-型電壓阻擋層，在N-型電壓阻擋層上依次形成N型電流存儲層、P型溝道區、P+歐姆接觸區、N+發射區；由柵氧介質層和多晶硅電極構成的溝槽柵極結構以及位于溝槽下面的P+電場屏蔽層，P+電場屏蔽層通過金屬電極與發射極電極相連接，所述發射極電極位于P+歐姆接觸區和N+發射區上面；所述一種4H-SiC溝槽絕緣柵雙極型晶體管還包括位于N-型電壓阻擋層下面的P+集電區、P型多晶硅區、階梯型集電極電極；所述集電極電極位于器件的底部，與P+集電區、P型多晶硅區相連接；將多個不相鄰的P+集電區深入到了N-型電壓阻擋層的內部，深度為幾微米至幾十微米之間，寬度為零點幾微米至幾微米之間,摻雜濃度在10¹⁷～10¹⁹數量級之間，厚度在零點幾微米至幾微米之間,通過深入到器件內部的集電極金屬與集電極電極相連接；同時引入了間隔分布的由P+集電區、P型多晶硅區構成的異質結，異質結寬度為零點幾微米至幾微米之間；所述的P型多晶硅區的摻雜濃度在10¹⁵～10¹⁷數量級之間，厚度為幾微米至幾十微米之間。

作為優選，所述的N-型電壓阻擋層的摻雜濃度為10¹⁴數量級，厚度為100μm以上。