[發明專利]具有載流子濃度增強的分離柵超結IGBT器件結構及方法

有效

• 申請號: 202111117630.3
• 申請日: 2021-09-23
• 公開（公告）號: CN113838922B
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發明（設計）人: 張金平;肖翔;陳子珣;張波
• 申請（專利權）人: 電子科技大學;電子科技大學廣東電子信息工程研究院
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/423;H01L29/739;H01L21/28;H01L21/331
• 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

本發明提供一種具有載流子濃度增強的分離柵超結IGBT器件結構及制作方法，本發明通過將柵電極分裂為左右兩部分，左側作為柵極，右側與發射極連接，分離柵結構降低了米勒電容Cgc，進而降低了開關損耗。本發明在溝槽柵右側、P柱上方引入P型浮空區結構，阻止了P柱與P型基區及發射極的直接連接，消除了在高柱區濃度下P柱及P型基區對空穴的抽取作用，在不同N、P柱區摻雜濃度下器件均工作在雙極導電模式下，消除了柱區摻雜濃度對正向導通壓降的影響。右側分離柵的引入還避免了器件開啟時P型浮空區中的空穴電流對柵極的充電，避免了開啟動態過程中的電流、電壓振蕩，改善了EMI問題。

技術領域

本發明屬于功率半導體器件技術領域，涉及一種具有載流子濃度增強的分離柵超結絕緣柵雙極型晶體管。

背景技術

絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)結合了場效應晶體管(MOSFET)和雙極結晶型晶體管(BJT)的優點，發展為現代電力電子電路中的核心電子元器件之一。IGBT既具有MOSFET易于驅動、輸入阻抗低、開關速度快的優點，又具有BJT通態電流密度大、導通壓降低、損耗小、穩定性好的優點。IGBT因其出色性能，廣泛應用于交通、通信、家用電器及航空航天各個領域，極大地改善了電力電子系統的性能。

IGBT利用低摻雜濃度的漂移區來實現高耐壓，然而擊穿電壓和導通電阻之間存在一定比例關系的限制，即“硅極限”。為了打破“硅極限”，人們提出了超結理論：在漂移區中引入交替排列的N、P柱，利用N、P柱的橫向耗盡來改善電場分布，從而獲得更高的耐壓。超結器件憑借其高耐壓、低導通電阻的性能，廣泛應用于肖特基二極管、MOSFET以及IGBT中。相比傳統的硅基IGBT器件，超結IGBT在相同的漂移區長度下具備更高的耐壓，當器件關斷時，N、P柱間PN結的耗盡會加速載流子的抽取，進而降低關斷損耗。然而在導通時，空穴很容易被高摻雜濃度的P柱收集，進而直接從P型基區流出發射極，造成較高的導通壓降。

發明內容

為了改善傳統超結IGBT米勒電容較大，EMI問題，以及在不同N、P柱區摻雜濃度下正向導通時導電機制在雙極-單極之間轉換且在中等摻雜濃度下導通壓降較大的問題，本發明提出一種具有載流子濃度增強的分離柵超結IGBT結構如圖2所示，本發明通過將柵電極分裂為左右兩部分，左側作為柵極，右側與發射極連接。較窄的柵極減小了柵極面積，并且柵極右側的接地分離柵電極將一部分柵極電容Cgc轉化為了柵極-發射極電容Cge，進一步降低了米勒電容Cgc，進而降低了開關損耗。本發明在溝槽柵右側、P柱上方引入P型浮空區結構，阻止了P柱與P型基區及發射極的直接連接，消除了在高柱區濃度下P柱及P型基區對空穴的抽取作用，在不同N、P柱區摻雜濃度下器件均工作在雙極導電模式下，消除了柱區摻雜濃度對正向導通壓降的影響。右側分離柵的引入還避免了器件開啟時P型浮空區中的空穴電流對柵極的充電，進而提高了柵極的控制能力，避免了開啟動態過程中的電流、電壓振蕩，改善了EMI問題。

為實現上述發明目的，本發明技術方案如下；

一種具有載流子濃度增強的分離柵超結IGBT器件結構，包括：從下至上依次層疊設置的集電極金屬1、P型集電區2、N型場阻止層3，N型場阻止層3上方的超結N柱5、和超結N柱5接觸的超結P柱4，位于超結N柱5上方的第一溝槽結構，第一溝槽結構包括溝槽柵結構和分離柵結構；