CN105552121A - 基于锗硅集电区的igbt结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的基于锗硅集电区的IGBT结构，包括有P+锗硅集电区，P+锗硅集电区的下部设有第一电极，P+锗硅集电区的上部设有复合区，复合区的上部靠近边缘处对称的设置有两个SiO2栅氧层，两个SiO2栅氧层之间的复合区上部设有第三电极，每个SiO2栅氧层的上部依次设有多晶硅栅及第二电极；复合区包括紧贴P+锗硅集电区设置的N-漂移区，N-漂移区的上部内嵌有P基区，P基区内靠近顶部处内嵌有两个N+发射区。本发明的IGBT结构具有集电极电流大及关断时间短的优点，改善了IGBT的电流传输能力，以及关断特性，提升了IGBT芯片面积的使用率，减小了IGBT的关断损耗，便于IGBT向尺寸小、功耗低的方向发展。
Description
技术领域
本发明属于电力电子器件技术领域，具体涉及一种基于锗硅集电区的IGBT结构。
背景技术
IGBT即绝缘栅双极型晶体管，是一种MOS场效应晶体管与双极型晶体管复合而成的由栅极电压控制的功率半导体器件，国标中将IGBT定义为具有导电沟道和PN结，且流过沟道和结的电流由施加在栅极和集射极之间电压所产生的电场来控制的晶体管。
IGBT集MOSFET的栅极电压驱动输入和双极晶体管的低导通电阻输出于一身，综合了MOSFET和BJT两者的共同优点，具有阻断电压高、电流容量大、驱动功率小、开关损耗低、工作频率高以及安全工作区宽的特点，是近乎理想的电力半导体开关器件，具有广阔的发展和应用前景，是电力电子器件的主要发展方向之一。
目前，以IGBT为代表的电力半导体器件和相关产品，以其独特的、不可取代的特殊功能，几乎应用于国民经济的各个领域，包括通信、工业、医疗、家电、照明、交通、新能源、半导体生产设备、航空、航天及国防等诸多领域。尤其是在中电压、中功率的应用比较广泛，如：电机调速、变频器及逆变器等电力控制；开关电源、逆变电源、通讯电源及UPS电源等各种电源；汽车的点火器、显示驱动器、发动机的动力***控制；微波炉、洗衣机、电冰箱、空调等家用电器；太阳能电池、风能等新能源，以及在航天领域，从5kW的分立器件到500kW的IGBT模块，在600～6500V电压范围内、20kHz以上的中频领域内可取代了功率MOSFET、功率双极晶体管及GTO晶闸管。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于锗硅集电区的IGBT结构，该IGBT结构是在常规非穿通型IGBT的基础上，采用锗硅材料的P+集电区代替硅材料的P+集电区形成基于锗硅集电区的IGBT结构；具有集电极电流大及关断时间短的优点。
本发明所采用的技术方案是，基于锗硅集电区的IGBT结构，包括有P+锗硅集电区，P+锗硅集电区的下部设置有第一电极，P+锗硅集电区的上部设置有复合区，复合区的上部靠近边缘处对称的设置有两个SiO2栅氧层，两个SiO2栅氧层之间的复合区上部设置有第三电极，每个SiO2栅氧层的上部依次设置有多晶硅栅及第二电极；复合区，包括有紧贴P+锗硅集电区设置的N-漂移区，N-漂移区的上部内嵌有P基区，P基区内靠近顶部处内嵌有两个N+发射区。
本发明的特点还在于：
P+锗硅集电区为锗硅材料，P+锗硅集电区中有掺杂剂，掺杂剂为B离子，掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1021cm-3；P+锗硅集电区的高度为1μm～10μm，宽度为20μm～40μm。
N-漂移区中有掺杂剂，掺杂剂为P离子，掺杂浓度为1×1013cm-3～1×1014cm-3；N-漂移区的高度为180μm～500μm，宽度为20μm～40μm。
P基区中有掺杂剂，掺杂剂为B离子，掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1019cm-3；P基区的高度为4μm～8μm，宽度为12μm～32μm。
N+发射区中有掺杂剂，掺杂剂为P离子，掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1021cm-3；N+发射区的高度为1μm～3μm，宽度为2μm～6μm。
SiO2栅氧层为二氧化硅层；SiO2栅氧层的高度为0.05μm～0.5μm，宽度为8μm～20μm。
多晶硅栅中有掺杂剂，掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1021cm-3，掺杂剂为P离子；多晶硅栅的高度为4μm～10μm，宽度为8μm～20μm。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明公开的基于锗硅集电区的IGBT结构是一种新型IGBT结构，是在常规硅基IGBT结构的集电区中采用锗硅材料代替硅材料，调节锗含量及其他参数，形成锗硅/硅异质结，增加了P+集电区与N-漂移区之间的空穴势垒高度，减小了通态时P+集电区向N-漂移区中注入的空穴，减少了N-漂移区中电子与空穴的复合，增大了电子电流，提高了IGBT整体的集电极电流。
(2)本发明基于锗硅集电区的IGBT结构，由于器件的集电区中采用锗硅材料，减少了通态时P+集电区向N-漂移区中注入的空穴，减少了N-漂移区中电子与空穴的复合，增加了IGBT中的电子，而减少了空穴，因此在IGBT关断时，需要复合的空穴少，减少了拖尾电流的影响，更加易于关断，能有效缩短关断时间。
附图说明
图1是本发明基于锗硅集电区的IGBT结构的纵向剖面图；
图2是常规硅IGBT结构的纵向剖面图；
图3是本发明基于锗硅集电区的IGBT结构中P+锗硅集电区与N-漂移区之间的锗硅/硅异质结能带示意图；
图4是常规硅IGBT结构与本发明基于锗硅集电区的IGBT结构的通态电流对比曲线图；
图5是常规硅IGBT结构与本发明基于锗硅集电区的IGBT结构的关断特性对比曲线图；
图中，1.第一电极，2.P+锗硅集电区，3.N-漂移区，4.P基区，5.N+发射区，6.SiO2栅氧层，7.多晶硅栅，8.第二电极，9.第三电极，10.P+硅集电区。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明基于锗硅集电区的IGBT结构，其结构如图1所示，包括有P+锗硅集电区2，P+锗硅集电区2的下部设置有第一电极1，P+锗硅集电区2的上部设置有复合区，复合区的上部靠近边缘处对称的设置有两个SiO2栅氧层6，两个SiO2栅氧层6之间的复合区上部设置有第三电极9，每个SiO2栅氧层6的上部依次设置有多晶硅栅7及第二电极8；复合区，包括有紧贴P+锗硅集电区2设置的N-漂移区3，N-漂移区3的上部内嵌有P基区4，P基区4内靠近顶部处内嵌有两个N+发射区5。
本发明基于锗硅集电区的IGBT结构主要由硅材料和锗硅材料构成：
其中，P+锗硅集电区2为锗硅材料，其掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1021cm-3，掺杂剂为B离子，P+锗硅集电区2的高度为1μm～10μm，宽度为20μm～40μm。
N-漂移区3的掺杂浓度为1×1013cm-3～1×1014cm-3，掺杂剂为P离子，N-漂移区3的高度为180μm～500μm，宽度为20μm～40μm。
P基区4的掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1019cm-3，掺杂剂为B离子，P基区4的高度为4μm～8μm，宽度为12μm～32μm。
N+发射区5的掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1021cm-3，掺杂剂为P离子，N+发射区5的高度为1μm～3μm，宽度为2μm～6μm。
SiO2栅氧层6为二氧化硅材料制成；SiO2栅氧层6的高度为0.05μm～0.5μm，宽度为8μm～20μm。
多晶硅栅7的掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1021cm-3，掺杂剂为P离子，多晶硅栅7的高度为4μm～10μm，宽度为8μm～20μm。
常规硅IGBT结构全部是硅材料构成，其结构如图2所示，其中有P+集电区10，P+集电区10下部设置有第一电极1，P+集电区10上部为N-漂移区3，N-漂移区3的上部内嵌有P基区4，P基区4内靠近顶部处内嵌有两个N+发射区5，P基区4和N-漂移区3的上部设置有两个SiO2栅氧层6和一个第二电极9，第二电极9位于两个SiO2栅氧层6的中部每个，SiO2栅氧层6上部设置有多晶硅栅7，多晶硅栅7上部设置有第三电极8。
本发明基于锗硅集电区的IGBT结构与常规硅IGBT结构相比，其区别在于：
本发明基于锗硅集电区的IGBT结构的集电区中采用锗硅材料代替硅材料，在P+锗硅集电区2与N-漂移区3之间形成锗硅/硅异质结，与常规IGBT结构相比，本发明基于锗硅集电区的IGBT结构能够有效增大集电极电流，减小关断时间。
本发明基于锗硅集电区的IGBT结构的工作原理具体如下：
本发明基于锗硅集电区的IGBT结构是通过第一电极1、第二电极8和第三电极9来控制器件的开通与关断，将P+锗硅集电区2与N-漂移区3之间的PN结记为J1结，将N-漂移区3与P基区4之间的PN结记为J2结，其具体工作过程如下：
当第一电极1和第三电极9上加正电压，第二电极8上接负电压，并且第三电极9上的电压大于IGBT的阈值电压时，P基区4表面形成反型沟道，在第一电极1和第二电极8之间形成了电流通路；于是N+发射区5的电子经沟道进入N-漂移区3，使此处的电位降低，J1结更加正偏，于是P+锗硅集电区2向N-漂移区3中注入空穴，注入到N-漂移区3的部分空穴与由N+发射区5经过电子经沟道进入N-漂移区3的部分电子不断复合；复合后剩余的电子进入P+锗硅集电区2，并经P+锗硅集电区2被第一电极1收集，形成电子电流；而复合后剩余的空穴则被反偏的J2结电场扫入P基区4，经P基区4被第三电极9收集，形成空穴电流；于是IGBT进入正向导通状态，集电极电流(IC)为流经沟道的电子电流(IN)和流经P基区4的空穴电流(IP)之和，即IC＝IN+IP。
由于J1结为锗硅/硅异质结，J1结的空穴势垒高度大于硅/硅同质结，阻碍了P+锗硅集电区2的空穴向N-漂移区3中注入，减少了空穴电流。此外，因为N-漂移区3中的空穴减少，与之复合的电子减少，并且J1结的电子势垒高度小于硅/硅同质结，N-漂移区3中更多的电子进入P+锗硅集电区2，增大了电子电流。锗硅/硅异质结的空穴的势垒比电子的势垒要高的多，增大的电子电流大于减小的空穴电流，因此提高了IGBT整体的集电极电流。
当第一电极1上加正电压，第二电极8和第三电极9上接负电压时，P基区4表面的反型沟道消失，于是切断了进入N-漂移区3的电子来源，IGBT开始了关断过程；由于正向导通期间，分别从P+锗硅集电区2和N+发射区5经沟道向N-漂移区3注入了较多的非平衡载流子，所以IGBT关断不能突然完成，要经历载流子复合消失过程之后，器件才会关断。
由于J1结为锗硅/硅异质结，J1结的空穴势垒高度大于硅/硅同质结，而J1结的电子势垒高度小于硅/硅同质结，使得N-漂移区3中的空穴减少，电子增多，关断时需要复合的空穴少，减少了拖尾电流的影响，更加易于关断。
常规硅IGBT结构是通过第一电极1、第二电极8和第三电极9来控制器件的开通与关断，将P+集电区10与N-漂移区3之间的PN结记为J3结，N-漂移区3与P基区4之间的PN结记为J4结，具体工作过程为：
当第一电极1和第三电极9上加正电压，第二电极8上接负电压，并且第三电极9上的电压大于IGBT的阈值电压时，P基区4表面形成反型沟道，在第一电极1和第二电极8之间形成了电流通路；于是N+发射区5的电子经沟道进入N-漂移区3，使此处的电位降低，J3结更加正偏，于是P+集电区10向N-漂移区3中注入空穴，注入到N-漂移区3的部分空穴与由N+发射区5经过电子经沟道进入N-漂移区3的部分电子不断复合；复合后剩余的电子进入P+集电区10，并经P+集电区10被第一电极1收集，形成电子电流；复合后剩余的空穴则被反偏的J4结电场扫入P基区4，经P基区4被第三电极9收集，形成空穴电流；于是IGBT进入正向导通状态，集电极电流(IC)为流经沟道的电子电流(IN)和流经P基区4的空穴电流(IP)之和，即IC＝IN+IP。由于J3结为硅/硅同质结，没有减小空穴电流和增大电子电流的效果，因此常规IGBT整体的集电极电流小于本发明基于锗硅集电区的IGBT结构。
当第一电极1上加正电压，第二电极8和第三电极9上接负电压时，P基区4表面的反型沟道消失，于是切断了进入N-漂移区3的电子来源，IGBT开始了关断过程。由于正向导通期间，分别从P+集电区10和N+发射区5经沟道向N-漂移区3注入了较多的非平衡载流子，所以IGBT关断不能突然完成，要经历载流子复合消失过程之后，器件才会关断。由于J3结为硅/硅同质结，没有减小空穴和增大电子的效果，关断时需要复合的空穴多，受到拖尾电流的影响，不易于关断，因此IGBT的关断时间大于本发明基于锗硅集电区的IGBT结构。
本发明基于锗硅集电区的IGBT结构在研究中发现：
P+锗硅集电区2的引入与N-漂移区3形成的锗硅/硅异质结是增大集电极电流和减小关断时间的重点。热平衡时锗硅/硅异质结能带如图3所示，空穴由P型锗硅材料的价带到N型硅材料的价带遇到的势垒高度为(qVD+ΔEV)，而电子由N型硅材料的导带到P型锗硅材料的导带遇到的势垒高度为(qVD-ΔEC)，两者大小不同。从图3中可以看出空穴势垒比电子势垒要高的多，即(qVD+ΔEV)>(qVD-ΔEC)。所以，P+锗硅集电区2的引入，可以减小注入N-漂移区3中的空穴，增大注入N-漂移区3中的电子，对IGBT的集电极电流和关断时间都有影响。
本发明基于锗硅集电区的IGBT结构在仿真中主要针对其集电极电流特性和关断特性进行仿真，在仿真中发现：基于锗硅集电区的IGBT结构的集电极电流大于常规硅IGBT，基于锗硅集电区的IGBT结构的关断时间小于常规硅IGBT，具体仿真结果分别如图4和图5所示。
如图4所示，由图4能够看出：当集电极电流稳定时，本发明基于锗硅集电区的IGBT结构的电子电流比常规硅IGBT结构提高了517.3％，本发明基于锗硅集电区的IGBT结构的空穴电流比常规硅IGBT结构减小了48.7％，本发明基于锗硅集电区的IGBT结构的集电极电流比常规硅IGBT结构提高了10.2％。
如图4所示，由图5能够看出：本发明基于锗硅集电区的IGBT结构的关断时间明显小于常规硅IGBT结构，当集电极电流从90％下降到10％，本发明基于锗硅集电区的IGBT结构的关断时间比常规硅IGBT结构减小了78％。
本发明基于锗硅集电区的IGBT结构结合理论会得出新结构在通态特性，开通特性方面应该也有一定的优势，其主要以集电极电流和关断特性的仿真为重点。本发明基于锗硅集电区的IGBT结构是在常规硅基IGBT结构的集电区中采用锗硅材料代替硅材料，通过IGBT背部形成的锗硅/硅异质结，改善了普通IGBT的电流传输能力以及关断特性。本发明基于锗硅集电区的IGBT结构不仅能提高IGBT的集电极电流，还能减小关断时间。
Claims (7)
1.基于锗硅集电区的IGBT结构，其特征在于，包括有P+锗硅集电区(2)，所述P+锗硅集电区(2)的下部设置有第一电极(1)，所述P+锗硅集电区(2)的上部设置有复合区，所述复合区的上部靠近边缘处对称的设置有两个SiO2栅氧层(6)，所述两个SiO2栅氧层(6)之间的复合区上部设置有第三电极(9)，每个SiO2栅氧层(6)的上部依次设置有多晶硅栅(7)及第二电极(8)；所述复合区，包括有紧贴P+锗硅集电区(2)设置的N-漂移区(3)，所述N-漂移区(3)的上部内嵌有P基区(4)，所述P基区(4)内靠近顶部处内嵌有两个N+发射区(5)。
2.根据权利要求1所述的基于锗硅集电区的IGBT结构，其特征在于，所述P+锗硅集电区(2)为锗硅材料，所述P+锗硅集电区(2)中有掺杂剂，所述掺杂剂为B离子，掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1021cm-3；
所述P+锗硅集电区(2)的高度为1μm～10μm，宽度为20μm～40μm。
3.根据权利要求1所述的基于锗硅集电区的IGBT结构，其特征在于，所述N-漂移区(3)中有掺杂剂，所述掺杂剂为P离子，掺杂浓度为1×1013cm-3～1×1014cm-3；
所述N-漂移区(3)的高度为180μm～500μm，宽度为20μm～40μm。
4.根据权利要求1所述的基于锗硅集电区的IGBT结构，其特征在于，所述P基区(4)中有掺杂剂，所述掺杂剂为B离子，所述掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1019cm-3；
所述P基区(4)的高度为4μm～8μm，宽度为12μm～32μm。
5.根据权利要求1所述的基于锗硅集电区的IGBT结构，其特征在于，所述N+发射区(5)中有掺杂剂，所述掺杂剂为P离子，所述掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1021cm-3；
所述N+发射区(5)的高度为1μm～3μm，宽度为2μm～6μm。
6.根据权利要求1所述的基于锗硅集电区的IGBT结构，其特征在于，所述SiO2栅氧层(6)为二氧化硅层；
所述SiO2栅氧层(6)的高度为0.05μm～0.5μm，宽度为8μm～20μm。
7.根据权利要求1所述的基于锗硅集电区的IGBT结构，其特征在于，所述多晶硅栅(7)中有掺杂剂，所述掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1021cm-3，掺杂剂为P离子；
所述多晶硅栅(7)的高度为4μm～10μm，宽度为8μm～20μm。
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|---|---|---|---|---|
| JP2000058819A (ja) * | 1998-08-06 | 2000-02-25 | Mitsubishi Electric Corp | 電力用半導体装置 |
| CN103943671A (zh) * | 2013-01-23 | 2014-07-23 | 中国科学院微电子研究所 | 一种功率半导体器件及其形成方法 |
| CN104992969A (zh) * | 2015-07-14 | 2015-10-21 | 株洲南车时代电气股份有限公司 | 具有缓冲层的半导体器件及其制作方法 |
-
2016
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