CN108321194B - 一种具有快速关断特性的soi ligbt - Google Patents
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Abstract
本发明属于功率半导体技术领域，具体涉及一种具有快速关断特性的SOI LIGBT。本发明与传统的SOI LIGBT相比，阴极引入连接阴极电位的阴极槽，阴极槽延伸至阴极P阱区以下，且阴极槽在靠近阳极结构一侧与P+体接触区接触，同时在阳极端引入两个高浓度P型掺杂的导电材料的阳极槽结构，导电材料接阳极电位；器件正向导通时，阴极空穴积累槽为器件提供了一条空穴旁路，在阴极槽壁上积累空穴，使器件在大的电流密度下抗闩锁能力更强，提升了器件的抗短路能力。在器件关断时，阴极槽和阳极槽分别提供了抽取空穴和电子的低阻通道，快了存储在漂移区内非平衡载流子的抽取，减小关断时间和关断能量损耗。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体技术领域，涉及一种新型快速关断SOI LIGBT(LateralInsulated Gate Bipolar Transistor，横向绝缘栅双极型晶体管)。
背景技术
IGBT是MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)和BJT(双极结型晶体管)相结合的新器件，它不仅具备MOSFET的高输入阻抗和BJT的低导通电阻两方面的优点，并且同时实现了高的击穿电压和正向大电流。其中横向IGBT(LIGBT)易于集成在硅基、尤其是SOI基的功率集成电路中，SOI基LIGBT可完全消除体硅LIGBT衬底空穴电子对注入，且采用介质隔离的SOI技术易实现器件的完全电气隔离，促使SOI LIGBT广泛应用于电力电子、工业自动化、航空航天等高新技术产业。
IGBT因器件结构的复杂性，参数稍微发生改变,其性能都会出现相应的变化。随着IGBT的快速发展,IGBT的工作电流愈来愈大。但是，由于器件本身包含一个正反馈电流回路，当工作电流增大到一定程度时，寄生双极晶体管小信号短路电流放大倍数之和达到1，很容易引发闩锁效应，严重限制了安全工作区的范围；而且，当器件发生闩锁效应时，栅电极将失去控制能力，导致器件因过流发热而损坏，造成器件永久性失效。因此，需要提升器件的抗闩锁能力。同时，器件在导通时，会在漂移区内存储大量的非平衡载流子，非平衡电子主要分布在未耗尽的漂移区及场截止层中，因传统的SOI LIGBT因为衬底接低电位，故而在器件导通时空穴会积累在埋氧层的上方，在器件关断留在漂移区中的非平衡载流子会造成器件拖尾电流较大，关断损耗严重。
发明内容
为了加快关断时漂移区中非平衡载流子的抽取，减小关断损耗；抑制器件在大电流下的寄生NPN管开启使得闩锁效应发生，提升器件的抗短路能力。本发明提出了一种新型快速关断SOI LIGBT。通过在阴极和阳极分别引入空穴积累槽、阳极夹断槽，可在抑制闩锁效应，提升短路能力的同时减小器件的关断时间，获得低的关断损耗。
本发明采用的技术方案为：
一种具有快速关断特性的SOI LIGBT，包括自下而上依次层叠设置的P衬底1、埋氧层2和顶部半导体层；所述的顶部半导体层具有N型漂移区19，器件沿N型漂移区19横向方向，从一侧到另一侧依次为阴极结构、栅极结构和阳极结构；
所述阴极结构包括并列位于N漂移区19一侧上层的P阱区9和阴极槽10，其中P阱区9位于靠近阳极结构的一侧；所述P阱区9上层具有并列设置的P+体接触区5和N+阴极区6，其中P+体接触区5与阴极槽10接触；所述阴极槽10由绝缘介质4及由绝缘介质4包裹的导电材料3组成，所述阴极槽10的结深大于P阱区9的结深；所述导电材料3、P+体接触区5和N+阴极区6共同引出端为阴极；
所述栅极结构由绝缘介质8及其之上的导电材料7共同构成，导电材料7的引出端为栅电极；所述绝缘介质8与顶部半导体层接触，栅极结构位于部分N+阴极区6的上表面、P阱区9上表面和部分与N型漂移区19上表面；
所述阳极结构包括并列位于N型漂移区19上层远离阴极结构一侧的场截止层11和第一N型掺杂区18，其中场截止层11位于靠近阴极结构的一侧；所述场截止层11上层具有P+阳极区12；所述第一N型掺杂区18上表面具有两个阳极槽结构15和位于阳极槽结构之间的第二N型掺杂区17；所述第二N型掺杂区17上表面具有N+阳极区16；所述阳极槽结构15由位于槽内壁的绝缘介质13和由绝缘介质13包围的P型掺杂的导电材料14组成；所述P+阳极区12、P型导电材料14和N+阳极区16的共同引出端为阳极。
进一步的，所述阴极槽10下端延伸至与埋氧层2相接触。
进一步的，所述阴极槽10有两个，两个阴极槽之间为P阱区9，两个阴极槽之间的P阱区9上层具有P+体接触区5，且远离阳极结构一侧的阴极槽10下端与埋氧层2相接触。
上述方案中，第一N型掺杂区18的掺杂浓度大于第二N型掺杂区17的掺杂浓度。
本发明的有益效果为，相对于传统SOI LIGBT结构，本发明具有更好的抗短路能力,同时具有更快的开关速度及更低的开关损耗。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图；
图2为实施例2的结构示意图；
图3为实施例3的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步详细描述本发明的技术方案。
实施例1
如图1所示，本例的结构包括自下而上依次层叠设置的P衬底1、埋氧层2和顶部半导体层；所述的顶部半导体层具有N型漂移区19，器件沿N型漂移区19横向方向，从一侧到另一侧依次为阴极结构、栅极结构和阳极结构；
所述阴极结构包括并列位于N漂移区19一侧上层的P阱区9和阴极槽10，其中P阱区9位于靠近阳极结构的一侧；所述P阱区9上层具有并列设置的P+体接触区5和N+阴极区6，其中P+体接触区5与阴极槽10接触；所述阴极槽10由绝缘介质4及由绝缘介质4包裹的导电材料3组成，所述阴极槽10的结深大于P阱区9的结深；所述导电材料3、P+体接触区5和N+阴极区6共同引出端为阴极
所述栅极结构由绝缘介质8及其之上的导电材料7共同构成，导电材料7的引出端为栅电极；所述绝缘介质8与顶部半导体层接触，栅极结构位于部分N+阴极区6的上表面、P阱区9上表面和部分与N型漂移区19上表面；
所述阳极结构包括并列位于N型漂移区19上层远离阴极结构一侧的场截止层11和第一N型掺杂区18，其中场截止层11位于靠近阴极结构的一侧；所述场截止层11上层具有P+阳极区12；所述第一N型掺杂区18上表面具有两个阳极槽结构15和位于阳极槽结构之间的第二N型掺杂区17；所述第二N型掺杂区17上表面具有N+阳极区16；所述阳极槽结构15由位于槽内壁的绝缘介质13和由绝缘介质13包围的P型掺杂的导电材料14组成；所述P+阳极区12、P型导电材料14和N+阳极区16的共同引出端为阳极。
本例的工作原理为：
与传统的SOI LIGBT相比，阴极引入连接阴极电位的阴极槽，阴极槽延伸至阴极P阱区以下，且阴极槽在靠近阳极结构一侧与P+体接触区接触，同时在阳极端引入两个高浓度P型掺杂的导电材料的阳极槽结构，导电材料接阳极电位；器件正向导通时，阴极空穴积累槽为器件提供了一条空穴旁路，在阴极槽壁上积累空穴，使器件在大的电流密度下抗闩锁能力更强，提升了器件的抗短路能力。在器件关断时，阴极槽和阳极槽分别提供了抽取空穴和电子的低阻通道，加快了存储在漂移区内非平衡载流子的抽取，减小关断时间和关断能量损耗。
实施例2
如图2所示，本例与实施例1的区别为阴极槽10下端延伸至与埋氧层2相接触；与实施例1相比，本例中的设计除了可以将流向阴极的空穴积累在槽壁，还为积累在埋氧层上方的空穴提供了一条直接流向阴极的通道，器件正向导通时，器件器件的抗短路能力更强。在器件关断时，进一步地加快了存储在漂移区内非平衡载流子的抽取，减小了关断时间和关断能量损耗。
实施例3
如图3所示，本例与实施例1的区别为阴极槽10有两个，两个阴极槽之间为P阱区9，两个阴极槽之间的P阱区9上层具有P+体接触区5，且远离阳极结构一侧的阴极槽10下端与埋氧层2相接触；与实施例1、2相比，本例中的设计不仅可以为流向阴极的空穴提供多个积累槽壁，还可以为积累在埋氧层上方的空穴提供了一条直接流向阴极的通道，器件正向导通时，器件的抗闩锁能力更强，器件的抗短路能力进一步地得到提升。在器件关断时，进一步地加快了存储在漂移区内非平衡载流子的抽取，减小关断时间和关断能量损耗。
Claims (3)
1.一种具有快速关断特性的SOI LIGBT，包括自下而上依次层叠设置的P衬底(1)、埋氧层(2)和顶部半导体层；所述的顶部半导体层具有N型漂移区(19)，器件沿N型漂移区(19)横向方向，从一侧到另一侧依次为阴极结构、栅极结构和阳极结构；
所述阴极结构包括并列位于N漂移区(19)一侧上层的P阱区(9)和阴极槽(10)，其中P阱区(9)位于靠近阳极结构的一侧；所述P阱区(9)上层具有并列设置的P+体接触区(5)和N+阴极区(6)，其中P+体接触区(5)与阴极槽(10)接触；所述阴极槽(10)由绝缘介质(4)及由绝缘介质(4)包裹的导电材料(3)组成，所述阴极槽(10)的结深大于P阱区(9)的结深；所述导电材料(3)、P+体接触区(5)和N+阴极区(6)共同引出端为阴极；
所述栅极结构由绝缘介质(8)及其之上的导电材料(7)共同构成，导电材料(7)的引出端为栅电极；所述绝缘介质(8)与顶部半导体层接触，栅极结构位于部分N+阴极区(6)的上表面、P阱区(9)上表面和部分与N型漂移区(19)上表面；
所述阳极结构包括并列位于N型漂移区(19)上层远离阴极结构一侧的场截止层(11)和第一N型掺杂区(18)，其中场截止层(11)位于靠近阴极结构的一侧；所述场截止层(11)上层具有P+阳极区(12)；所述第一N型掺杂区(18)上表面具有两个阳极槽结构(15)和位于阳极槽结构之间的第二N型掺杂区(17)；所述第二N型掺杂区(17)上表面具有N+阳极区(16)；所述阳极槽结构(15)由位于槽内壁的绝缘介质(13)和由绝缘介质(13)包围的P型掺杂的导电材料(14)组成；所述P+阳极区(12)、P型导电材料(14)和N+阳极区(16)的共同引出端为阳极。
2.根据权利要求1所述的一种具有快速关断特性的SOI LIGBT，其特征在于，所述阴极槽(10)下端延伸至与埋氧层(2)相接触。
3.根据权利要求1所述的一种具有快速关断特性的SOI LIGBT，其特征在于，所述阴极槽(10)有两个，两个阴极槽之间为P阱区(9)，两个阴极槽之间的P阱区(9)上层具有P+体接触区(5)，且远离阳极结构一侧的阴极槽(10)下端与埋氧层(2)相接触。
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