CN108122962A - 一种绝缘栅双极型晶体管 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体技术领域，具体的说涉及一种绝缘栅双极型晶体管。本发明在传统纵向IGBT器件结构的基础上，设置IGBT分流区以及在第三电极处设置第三电极延伸结构和第三电极区高掺杂接收区域，一方面可以实现不同载流子的分流，并分别在第一电极和第三电极处分别形成第二类载流子、第一类载流子高密度通道，从而实现载关断瞬间载流子单极流通，进而提高关断速度；另外，漂移区采用横向交替排布的P/N结，关断状态下漂移区内电场横向调制，也可以具有较高的正/反向阻断能力。

Description

一种绝缘栅双极型晶体管
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体的说涉及一种绝缘栅双极型晶体管。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为一种集成技术，混合了MOSFET结构和双极结型晶体管的工作机理。如图1所示的常规IGBT器件结构示意图和对应的等效电路示意图，在常规IGBT结构图中，IGBT包括第一电极101，第二电极102，第三电极103，第二电极绝缘层201，n型高掺杂浓度发射区301，p型高掺杂浓度发射极接触区302，p型基区303，n型漂移区402，n型场截止层区305，p型集电区306。
当第二电极102电压高于器件本身的阈值电压时，p型发射极基区内靠近第二电极102一侧会形成连接n型高掺杂浓度发射区301和n型漂移区402的反型层沟道。第三电极103施加正电压时，电子电流从n型高掺杂浓度发射区301传送到n型漂移区402，而该电子电流将作为PNP双极晶体管的基极驱动电流，促进空穴从p型集电区306注入n型漂移区402，进而形成PNP双极晶体管的发射极电流，整个IGBT导通，具体如结构图中给出的电流分布情况所示，同时还给出了传统IGBT导通时的等效电路图及其电流流向分布，IE，IB，IC分别代表发射极电流，第二电极开启电子形成的基极驱动电流以及空穴注入的第三电极电流。值得说的是，当电流流过时，IGBT的n型漂移区402工作在大注入状态，这使得器件在大电流状态下具有较低的导通压降。
而当第二电极102关断同时保持第三电极103施加正电压时，p型基区303和n型漂移区402构成的pn结反偏，较低掺杂浓度和较宽厚度的n型漂移区402的使得该反偏结能够承受较高的耐压。因此，IGBT也有着较好的阻断性能。
总之，IGBT结构固有良好的正向和反向阻断特性，使得它能够被广泛应用于大功率领域中。但是，正如上述的工作原理所说，IGBT作为一种双极性载流子器件，关断瞬间漂移区少数载流子存在的存储效应使得IGBT工作频率不高。因此，在实际应用中，尤其是在大功率领域，如何在保持高耐压能力的同时，降低器件工作损耗一直是人们研究的重点方向。而关断损耗在IGBT工作(尤其是在高频电路中)中的整体损耗中占有很大的比重，因此，降低IGBT的关断损耗对于人们实际生活生产有着重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的，就是针对上述传统IGBT器件关断损耗大的缺陷，提出了一种具有低关断损耗的绝缘栅双极型晶体管。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种绝缘栅双极型晶体管，包括主IGBT区，所述主IGBT区包括自下而上依次层叠设置的第三电极103、第二导电类型半导体第三电极基区306、第一导电类型半导体场截止区305、第一导电类型半导体漂移区402、第一导电类型半导体电荷存储区304、第二导电类型半导体第一电极基区303、第一导电类型半导体第一电极基区301和第一电极101，所述主IGBT区还包括第二导电类型半导体第一电极重掺杂接触区302和第二电极102，其中第二导电类型半导体第一电极重掺杂接触区302与第一导电类型半导体第一电极基区301并列设置，第二电极102与第一导电类型半导体第一电极基区301、第二导电类型半导体第一电极基区303和第一导电类型半导体漂移区402通过第一绝缘材料201隔离；其特征在于，所述绝缘栅双极晶体管还包括IGBT分流区，IGBT分流区与主IGBT区具有第二电极102的一侧连接，且以IGBT分流区与主IGBT区的连接线为中线，IGBT分流区与主IGBT区的结构呈对称设置，与主IGBT区不同的是，IGBT分流区中漂移区为第二导电类型半导体漂移区401，IGBT分流区的第二导电类型半导体第一电极重掺杂接触区302与主IGBT区中并列设置的第一导电类型半导体第一电极基区301和第二导电类型半导体第一电极重掺杂接触区302呈对称。
进一步的，在IGBT分流区与主IGBT区的连接处，第三电极103具有延伸结构，所述第三电极延伸结构沿器件垂直方向向上延伸，且第三电极延伸结构通过第二绝缘材料202与周围半导体导电掺杂区域隔离。
进一步的，在主IGBT区的第三电极基区306内，设置有与第三电极103和第三电极延伸结构接触的第一导电类型半导体第三电极区高掺杂区307。
进一步的，所述第二电极为分离结构，至少包括一个位于主IGBT区一侧的主第二电极和一个位于IGBT分流区一侧的分离第二电极。
进一步的，第三电极103具有多个延伸结构，所述第三电极延伸结构沿器件垂直方向向上延伸，且第三电极延伸结构通过第二绝缘材料202与周围半导体导电掺杂区域隔离。
进一步的，所述第三电极延伸结构沿器件垂直方向向上贯穿第二导电类型半导体第三电极基区306延伸入第一导电类型半导体场截止区305中。
进一步的，所述第三电极延伸结构沿器件垂直方向向上依次贯穿第二导电类型半导体第三电极基区306和第一导电类型半导体场截止区305延伸入第一导电类型半导体漂移区402中。
进一步的，所述的主IGBT区和IGBT分流区构成的IGBT结构单元沿水平方向依次接触排布扩展并集成在同一第三电极103上，且依次排布的主IGBT区和IGBT分流区接触处上部共用第二电极结构，下部共用第三电极结构。
本发明的有益效果为，本发明的方案一方面可以实现不同载流子的分流，并分别在第一电极和第三电极处分别形成第二类载流子、第一类载流子高密度通道，从而实现载关断瞬间载流子单极流通，进而提高关断速度；另外，漂移区采用横向交替排布的P/N结，关断状态下漂移区内电场横向调制，也可以具有较高的正/反向阻断能力。
附图说明
图1是常规IGBT结构以及工作等效电路示意图；
图2是实施例1的结构示意图；
图3是实施例1的导通状态下电子电流和空穴电流流通路径示意图；
图4是实施例1关断状态瞬间的等效电路示意图，其中，(a)为IGBT分流区B与第二电极结构工作的等效电路示意图；(b)是主IGBT区A与第三电极结构工作的等效电路示意图；
图5是实施例1与常规IGBT关断时间的对比图；
图6是实施例1与常规IGBT正/反向阻断能力的对比图；
图7是实施例2的一种结构示意图；
图8是实施例2的第二种结构示意图；
图9是实施例2的第三种结构示意图；
图10是实施例2的第四种结构示意图；
图11是实施例2的第五种结构示意图；
图12是实施例2的第六种结构示意图；
图13是实施例3的一种结构示意图；
图14是实施例4的一种结构示意图；
图15是实施例4的第二种结构示意图；
图16是实施例4的第三种结构示意图；
图17是实施例4的第四种结构示意图；
图18是实施例5的一种结构示意图；
图19是实施例5的第二种结构示意图；
图20是实施例5的第三种结构示意图；
图21是实施例5的第四种结构示意图；
图22是实施例5的第五种结构示意图；
图23是实施例5的第六种结构示意图；
图24是实施例6的一种结构示意图；
图25是实施例6的第二种结构示意图；
图26是实施例6的第三种结构示意图；
图27是实施例6的第四种结构示意图；
图28是实施例6的第五种结构示意图；
图29是实施例6的第六种结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：
以下实施例中，第一导电类型半导体具体到N型半导体，第二导电类型半导体具体到P型半导体，相对应的第一类载流子具体为电子，第二类载流子具体为空穴，第一电极具体到发射极，第二电极具体为栅极，第三电极具体为集电极；
实施例1：
如图2所示，本例的绝缘栅双极晶体管，包括相互接触并左右分布的主IGBT区A和IGBT分流区B；所述IGBT分流区B均包括从下至上依次排布的第三电极103，P型半导体第三电极基区306，N型半导体场截止区305，P型半导体漂移区401，N型半导体电荷存储区304，N型半导体第一电极基区303，P型半导体第一电极重掺杂接触区302以及第一电极101；
所述主IGBT区A与IGBT分流区B在水平位置上同等高度处结构分布近似，与IGBT分流区B不同的是，主IGBT区A在P型半导体306区域内下部设置有与第三电极103接触的N型半导体第三电极高掺杂接收区域307；与IGBT分流区B不同的还有，主IGBT区A在漂移区采用N型半导体402；与IGBT分流区B不同的还有，所述主IGBT区A在303区域内上部设置有N型第一电极区301；
所述主IGBT区A与IGBT分流区B在水平位置上同等高度处相互接触并在接触界面上端设置第二电极结构102，所述第二电极102深入到半导体漂移区顶端处并通过绝缘材料201分别与301，303，304以及漂移区隔开；所述第三电极103呈倒“T”型并向上延伸到N型半导体区305内，该第三电极103向上延伸部分与将其在垂直方向分别与305，306，307隔开的绝缘材料202构成第三电极延伸结构；
本例的工作原理为：
当器件开启，即第三电极103施加正向高电压，第一电极101接零电位，第二电极102接正向电压。此时主IGBT区A侧第二电极102附近的第一电极基区303内形成反型层，进而形成高浓度电子电流并注入到漂移区402内，该电子电流进而驱动主IGBT区A侧的P型掺杂的303，N型掺杂的304，402，305以及P型掺杂的306区形成的PNP双极结型晶体管开启，进而第三电极103处产生的空穴注入进漂移区402，同时，所述高浓度电子电流一部分注入进分流区B侧的电子存储层304以及场截止层305内，该部分电子电流驱动IGBT分流区B内P型306区、N型305区、P型401区以及P型401、N型304区、P型的302区、303区寄生的两个PNP管分别开启，进而形成很大的注入电流，稳定电流情况如图3所示；
而当器件关断瞬间，漂移区401和402由于自身材料的电势能差，使得空穴流向401，电子流向402，同时，在分流区B区内，如图4(a)所示，302区，303区，304区，401区，电极102以及绝缘材料201构成漏极、栅极短接到零电位的PMOS，第三电极施加高电压时，该PMOS管在绝缘材料附近形成空穴高密度通道，有利于空穴的在关断时的抽走；同时，在主IGBT区A中，如图4(b)所示，305区，306区，307区，402区以及第三电极结构形成栅、漏短接致高电平的NMOS，该NMOS管在第三电极附近形成电子高速通道，有利电子在关断时的抽走；总之，该结构实现了器件在关断时载流子的单极性流动，进而优化传统IGBT关断时少子存储效应，从而提高器件的关断速度；图5给出了本实施例与常规IGBT关断时间的对比图，明显看出，相对于常规IGBT结构，本实施例具有较短的关断时间；
器件完全关断时，第三电极103施加高耐压的时候，漂移区401和402相互耗尽，留下相反极性的固定电荷而在横向方向调制漂移区内电场，同时由于第二电极以及第三电极分别深入到漂移区，从而器件在正/反方向都可以保持较高的耐压能力，图6给出了常规器件与本实施例的正向以及方向阻断特性对比示意图，明显看出，相比于常规的IGBT结构，本实施例还具有较高的反向阻断能力。
实施例2：
该实施例在结构上与实施例1相似，不同在于实施例2中C区中的第二电极采用分离结构，如图7所示是实施例2的一种方式，分离的第二电极包含主第二电极102以及分离第二电极102a。其中，主第二电极102位于主IGBT区A一侧，而分离第二电极102a位于IGBT分流区B一侧；值得一说的是分离第二电极102a可以与主第二电极102连接，也可以浮空，也可以与第一电极101直接连接。
该实施例的工作原理与实施例1相同，均能实现关断载流子的分流，而提高关断速度。
实施例2还可以采用其他的分离第二电极结构，诸如图8所示的在IGBT分流区相对主第二电极102一侧设置有功能与分离第二电极102a相同的另一分离第二电极；以及主第二电极102，分离第二电极102a分别位于主IGBT区A两侧的又一IGBT结构单元，具体如图9所示；以及基于图8，图9的在IGBT分流区C区域内设置有n个分离第二电极4-系列的其他实施例(n>1)，而在每两个第二电极之间均要设置有第一电极101，而这些分离第二电极可以与主第二电极102连接，也可以浮空，也可以与第一电极101直接连接，具体可如图10、11以及12所示。
实施例2的这些实施方式在工作时与实施例1机理相似，而分离第二电极数目的增加可以增加空穴的抽走通道，进一步提高关断速度。
实施例3：
如图13所示，该实施例的结构与实施例1相似，不同在于实施例2漂移区401在横向方向向主IGBT区A中有扩展，并且扩展部分代替漂移区402。
而在具体工作时，漂移区仍然能实现电子电流对寄生PNP的基极开启，实现空穴注入进而有大电流的产生，因此工作原理与实施例1相同，具有较高的关断速度。
实施例4：
该实施例与实施例1结构相似，不同之处在于实施例4在IGBT结构单元D区域的第三电极延伸结构顶端延伸到场截止区305内，如图14是实施例4的一种方式。
具体工作时，实施例4与实施例1相似，不同之处在于主IGBT区A中的场截止区305与分流区B内的场截止区连通，有助于分流区B一侧P型401，N型305，P型306形成的PNP管开启，从而进一步提高器件的注入饱和性能。
另外，为进一步提高器件的关断性能，基于实施例4实施方式，还可以提出使用多第三电极结构实施例4的方式，具体可如图15；在主IGBT区A中的第三电极基区306以及第三电极金属103可以被N型的307区分开，具体如图16。与实施例2所述的采用多第二电极结构相似，采用多个第三电极的本实施方式也会由于载流子抽走通道的增加而具有较高的关断速度。而采用实施方式如图16所示的结构时，注入强度会受到很大影响，为改善此种状况，可以调节电子接收区307的面积，具体可如图17。
实施例5：
该实施例在实施例1以及实施例2，实施例3，实施例4结构各种方式的基础上，实施IGBT结构单元上部C区，中部漂移区，下部D区的各种组合，进一步形成IGBT的其它实施例，其中图18-图23是实施例5其中的六种典型方式，每一种均是上述的实施例1-实施例4的不同方式的组合。而实施例的各种方式也都基于组合单元具有相应组合的工作机理。如图18是图2和图7所示结构的组合；如图19是图2和图10所示结构的组合；图20是图2、图8和图14所示结构的组合；图20是图2、图10和图16所示结构的组合；图21是图2、图11以及图14所示结构的组合；图22是图2、图12以及图15所示结构的组合。
实施例6：
该实施例基于实施例1～5所述的IGBT结构单元在共用第三电极103上做IGBT结构单元横向扩展，这些扩展结构单元之间由第二电极以及第三电极连接，而连接处采用分离第二电极结构时，需要保证主第二电极在N型发射区301一侧，而分离第二电极位于P型发射接触区302一侧。一些实施例6的典型实施方式可如图24-图29所示，而对应工作原理也均是以各自所对应IGBT结构单元的工作原理近似。
其中，图24是图2所示结构的横向扩展；图25是图18所示结构的横向扩展；图26是如图15所示结构的横向扩展；图27是如图19所示结构的横向扩展；图28是图22所示结构的横向扩展；图29是图23所示结构的横向扩展。

Claims (8)

1.一种绝缘栅双极型晶体管，包括主IGBT区，所述主IGBT区包括自下而上依次层叠设置的第三电极(103)、第二导电类型半导体第三电极基区(306)、第一导电类型半导体场截止区(305)、第一导电类型半导体漂移区(402)、第一导电类型半导体电荷存储区(304)、第二导电类型半导体第一电极基区(303)、第一导电类型半导体第一电极基区(301)和第一电极(101)，所述主IGBT区还包括第二导电类型半导体第一电极重掺杂接触区(302)和第二电极(102)，其中第二导电类型半导体第一电极重掺杂接触区(302)与第一导电类型半导体第一电极基区(301)并列设置，第二电极(102)与第一导电类型半导体第一电极基区(301)、第二导电类型半导体第一电极基区(303)和第一导电类型半导体漂移区(402)通过第一绝缘材料(201)隔离；其特征在于，所述绝缘栅双极晶体管还包括IGBT分流区，IGBT分流区与主IGBT区具有第二电极(102)的一侧连接，且以IGBT分流区与主IGBT区的连接线为中线，IGBT分流区与主IGBT区的结构呈对称设置，与主IGBT区不同的是，IGBT分流区中漂移区为第二导电类型半导体漂移区(401)，IGBT分流区的第二导电类型半导体第一电极重掺杂接触区(302)与主IGBT区中并列设置的第一导电类型半导体第一电极基区(301)和第二导电类型半导体第一电极重掺杂接触区(302)呈对称分布。
2.根据权利要求1所述的一种绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，在IGBT分流区与主IGBT区的连接处，第三电极(103)具有延伸结构，所述第三电极延伸结构沿器件垂直方向向上延伸，且第三电极延伸结构通过第二绝缘材料(202)与周围半导体导电掺杂区域隔离。
3.根据权利要求2所述的一种绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，在主IGBT区的第三电极基区(306)内，设置有与第三电极(103)和第三电极延伸结构接触的第一导电类型半导体第三电极区高掺杂区(307)。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述第二电极为分离结构，至少包括一个位于主IGBT区一侧的主第二电极和一个位于IGBT分流区一侧的分离第二电极。
5.根据权利要求1所述的一种绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，第三电极(103)具有多个延伸结构，所述第三电极延伸结构沿器件垂直方向向上延伸，且第三电极延伸结构通过第二绝缘材料(202)与周围半导体导电掺杂区域隔离。
6.根据权利要求2或5所述的一种绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述第三电极延伸结构沿器件垂直方向向上贯穿第二导电类型半导体第三电极基区(306)延伸入第一导电类型半导体场截止区(305)中。
7.根据权利要求2或5所述的一种绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述第三电极延伸结构沿器件垂直方向向上依次贯穿第二导电类型半导体第三电极基区(306)和第一导电类型半导体场截止区(305)延伸入第一导电类型半导体漂移区(402)中。
8.根据权利要求1～3任意一项所述的一种绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述的主IGBT区和IGBT分流区构成的IGBT结构单元沿水平方向依次接触排布扩展并集成在同一第三电极(103)上，且依次排布的主IGBT区和IGBT分流区接触处上部共用第二电极结构，下部共用第三电极结构。
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