[發明專利]4H-SiC溝槽絕緣柵雙極型晶體管

在審

• 申請號: 202010023568.0
• 申請日: 2020-01-09
• 公開（公告）號: CN111524971A
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發明（設計）人: 王穎;毛鴻凱;曹菲;包夢恬
• 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

本發明公開了4H?SiC溝槽絕緣柵雙極型晶體管,包括P+歐姆接觸區、N+發射區、P型溝道區、載流子存儲層、N?電壓阻擋層、N+緩沖層、P+集電區、P型多晶硅區、溝槽型柵極；本發明相對于傳統結構，主要提出了在器件集電極一側引入了溝槽型的p?poly/p?SiC異質結。由于異質結做成了溝槽形狀，所以器件在正常導通時可以提升空穴注入效率，使得器件的通態壓降降低；同時新結構由于異質結的引入，其在關斷的過程中為電壓阻擋層中載流子的泄放提供了低阻通道，可以加速電子的抽取，進一步降低了關斷損耗。

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

硅(Si)基功率金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)器件是當今使用最為廣泛的功率電子器件。MOSFET經常適用于高開關頻率的應用中，但是由于它是基于單極原理導電的器件，所以它的導通電阻比較大，因此在實際應用中通常限制在千伏擊穿電壓的環境中。而IGBT器件則同時擁有MOS柵極電壓控制和BJT雙極性導電的工作原理，使得它在擊穿電壓600V到幾千伏較大電壓范圍內均具有吸引力。作為第三代寬禁帶半導體的代表材料，SiC以其優秀的材料特性是最有希望替代Si材料而制作電子器件的，比如：其高于Si材料大約10倍的擊穿電場、更高的導熱率以及更低的固有載流子濃度等。這些卓越的性能使得碳化硅器件能夠在高溫、高壓、高開關頻率下工作，進一步滿足現代電力電子系統嚴苛的使用需求。

同時，盡管由于電導調制效應的存在可以降低器件的通態壓降，但是這就會使得通態時電壓阻擋層中存儲了大量的少數載流子，器件關斷過程中少數載流子的泄放需要一定的時間，從而就會引發較大并且持續時間較長的拖尾電流，最終形成較大的關斷損耗。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技術中存在的不足，提出了一種新型的器件結構，該結構在背面的集電極一側引入了溝槽型的p-poly/p-SiC異質結，在器件關斷時為電子的泄放提供了額外的低阻通路，從而大大加快了電子的泄放速度，從而降低了關斷損耗；同時溝槽型的異質結集電極也等效的增加了器件集電區的面積，在正向導通時也可以有助于空穴注入到電壓阻擋層，從而使得電壓阻擋層中發生更加強烈的電導調制效應，通態壓降得以降低。背部溝槽型異質結集電極的存在使得器件的關斷損耗較低，改善了器件的導通壓降與關斷損耗。

實現本發明目的技術方案：

本發明提供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依次為N型緩沖層、P+集電區、多晶硅區；集電極電極位于器件的背面，與溝槽異質結集電區中的P+集電區、多晶硅區相連接；所述的多個不相鄰溝槽異質結集電區中的多晶硅區深入到了N-型電壓阻擋層中，并與P+集電區形成p-poly/p-SiC異質結，所述的多晶硅區的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10¹⁵～10¹⁷數量級之間；所述的溝槽異質結區P+集電區的摻雜濃度在10¹⁷～10¹⁹數量級之間，厚度在零點幾微米至幾微米之間。

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

作為優選，所述的N型緩沖層的摻雜濃度要比N-型電壓阻擋層的摻雜濃度高，為10¹⁶～10¹⁷數量級，厚度為幾微米至幾十微米之間。