CN111697070A - 一种逆导型igbt器件 - Google Patents

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李吕强
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Abstract

本发明涉及功率半导体器件技术领域，具体涉及到一种逆导型IGBT器件，本发明在传统的逆导型IGBT器件的基础上，将集电极结构的N区掺杂区替换为了纵向放置的重掺杂N区和P区构成的二极管，通过控制该重掺杂的N区和P区的掺杂浓度，使该二极管的内建电势达到禁带宽度，使得该二极管在IGBT反向阻断时可以利用隧穿电流起到续流作用，在逆导型IGBT处于正向导通状态下时，器件不存在寄生的VDMOS结构，从而消除了逆导型IGBT器件的snap‑back现象。

Description

一种逆导型IGBT器件
技术领域
本发明涉及功率半导体器件技术领域，具体涉及到一种逆导型绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
背景技术
IGBT(Insualated Gate Biporlar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由MOSFET(绝缘栅场效应晶体管)和BJT(双极型晶体管)组成的复合型器件，其同时具备了MOSFET的简单的栅极驱动、导通速度快的优点和BJT导通下的载流密度大、低导通电阻的优点，所以其被广泛地应用在各种大功率电力***中。
当采用IGBT作为开关器件来处理大功率信号时，由于其内部只存在寄生的三极管，而并没有MOSFET那样的内部寄生二极管，所以需要对每个IGBT器件配置一个相同耐压的反向并联二极管用作续流二极管。为了减小工艺难度和制造成本，同时减小管芯片面积和封装体积，Hideki Takahashi在文献“1200V Reverse Conducting IGBT”中提出了最早的逆导型IGBT(又称RC-IGBT)。
RC-IGBT的制造方法是在IGBT背面的P+集电区中引入了部分“N+集电区短路结构”，如图1所示，N+集电区短路结构13的引入使得RC-IGBT结构相当于普通的IGBT结构和MOSFET并联，因此，在IGBT处于反向关态时，MOSFET结构中的寄生PN结结构能够起到续流二极管的作用。但是，N+集电区短路结构的引入也对IGBT工作的正向导通状态下产生了影响，其主要的影响为IGBT的导通过程中出现了负阻现象，即snap-back现象，其产生原因为：N+集电区短路结构的引入使得RC-IGBT成为了普通的IGBT结构和MOSFET的并联结构，当栅极电压大于阈值电压时且集电极电压很小时，RC-IGBT内部的MOSFET结构会提供一条低阻的单极电流通路，其所产生的单极电流会通过低掺杂的N-漂移区流出，由于N-漂移区的导通电阻很大，所以此时的导通电流很小，此时RC-IGBT的工作状态可称作MOSFET工作模式。伴随着集电极电压继续增大，MOSFET工作模式所产生的单极电流也会逐渐增大，而该电流会在其导通路径上产生压降，该压降能够使集电极的P区与N-漂移区所形成的PN结正偏，当该压降使这个PN结正向导通时，P+集电区将会向N-漂移区进行空穴的注入，电导调制发生，RC-IGBT将进入到IGBT导通模式。由于导通模式由单极型的MOSFET导通模式转变为双极型的IGBT导通模式，电导调制效应的出现会使导通电阻迅速下降，从而导致snap-back现象的出现。而snap-back现象易造成IGBT模块中的电流局部集中，从而进一步导致局部功耗过大而使器件烧毁。
发明内容
本发明针对上述问题，提供了一种逆导型IGBT器件，其能够缓解逆导型IGBT的snap-back现象，提高器件的可靠性。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种逆导型IGBT器件，包括发射极金属1、重掺杂第二导电类型半导体发射区2、重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区3、中等掺杂第一导电类型半导体体区5、多晶硅栅电极6、栅极绝缘氧化层4、轻掺杂第二导电类型半导体漂移区7、重掺杂第一导电类型半导体集电区8、重掺杂第一导电类型半导体二极管区9、重掺杂第二导电类型半导体二极管区10、集电极金属11；
所述多晶硅栅电极6的两侧为重掺杂第二导电类型半导体发射区2，重掺杂第二导电类型半导体发射区2远离多晶硅栅电极6的一侧为重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区3，重掺杂第二导电类型半导体发射区2和重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区3相接触，重掺杂第二导电类型半导体发射区2和重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区3的下方为中等掺杂第一导电类型半导体体区5，多晶硅栅电极6与重掺杂第二导电类型半导体发射区2之间、多晶硅栅电极6和重掺杂第一导电类型半导体体区5之间都由栅极绝缘氧化层4隔离；多晶硅栅电极6、重掺杂第二导电类型半导体发射区2、重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区3的上方都为发射极金属1，重掺杂第二导电类型半导体发射区2和重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区3的上表面均与发射极金属1相接触，多晶硅栅电极6的下方为轻掺杂第二导电类型半导体漂移区7，所述多晶硅栅电极6与发射极金属1之间、多晶硅栅电极6和轻掺杂第二导电类型半导体漂移区7之间由栅极绝缘氧化层4隔离；中等掺杂第一导电类型半导体体区5的下表面深度不超出多晶硅栅电极6的下表面深度，轻掺杂第二导电类型半导体漂移区7的上表面与中等掺杂第一导电类型半导体体区5相接触，所述轻掺杂第二导电类型半导体漂移区7的下表面与重掺杂第一导电类型半导体集电区8和重掺杂第二导电类型半导体二极管区10直接接触；第一导电类型半导体集电区8的两侧为重掺杂第二导电类型半导体二极管区10，所述重掺杂第二导电类型半导体二极管区10的下表面与重掺杂第一导电类型二极管区9接触，所述重掺杂第二导电类型半导体二极管区10的侧面和重掺杂第一导电类型二极管区9的侧面均与重掺杂第一导电类型半导体集电区8直接接触，所述重掺杂第一导电类型半导体集电区8的下表面和重掺杂第一导电类型二极管区9的下表面均与集电极金属11相接触，其特征在于：重掺杂第一导电类型二极管区9的掺杂浓度和重掺杂第二导电类型半导体二极管区10的掺杂浓度满足：
Figure BDA0002560620300000021
其中，ni为半导体本征载流子浓度，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，Eg为半导体禁带宽度，N1为重掺杂第一导电类型二极管区9的掺杂浓度，N2为重掺杂第二导电类型半导体二极管区10的掺杂浓度。
作为优选方式，轻掺杂第二导电类型半导体漂移区7的下表面和重掺杂第二导电类型半导体二极管区10之间设有中等掺杂第二导电类型半导体场阻止区12，所述第二导电类型半导体场阻止区12的下表面与第一导电类型半导体集电区8和重掺杂第二导电类型半导体二极管区10直接接触。
作为优选方式，所述IGBT器件的材料为硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅半导体材料。
作为优选方式，第一导电类型半导体为P型半导体，所述第二导电类型半导体为N型半导体；或者第一导电类型半导体为N型半导体，所述第二导电类型半导体为P型半导体。
作为优选方式，所述轻掺杂为杂质浓度量级在1e16cm-3及以下的掺杂，所述中等掺杂为杂质浓度量级在1e16cm-3到1e18cm-3之间的掺杂，所述重掺杂为杂质浓度量级大于1e18cm-3的掺杂。
本发明的有益效果为：本发明在传统的逆导型IGBT器件的基础上，将集电极结构的N区掺杂区替换为了纵向放置的重掺杂N区和P区构成的二极管，通过控制该重掺杂的N区和P区的掺杂浓度接近简并或不充分简并，使得该二极管在IGBT反向阻断时可以利用隧穿电流起到续流作用，在逆导型IGBT处于正向导通状态下时，器件不存在寄生的VDMOS结构，从而消除了逆导型IGBT器件的snap-back现象。
附图说明
图1是传统RC-IGBT器件的元胞结构示意图。
图2是传统RC-IGBT器件的电流电压(I-V)特性曲线图。
图3是本发明实施例1提出的一种逆导型IGBT器件的示意图。
图4.1是本发明提出的一种逆导型IGBT器件中P+二极管区和N+二极管区所构成的二极管在零偏压下的能带图。
图4.2是本发明提出的一种逆导型IGBT器件中P+二极管区和N+二极管区所构成的二极管在反向偏置状态时的能带图。
图5是本发明实施例2提出的一种逆导型IGBT器件的示意图。
1为发射极金属，2为重掺杂第二导电类型半导体发射区，3为重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区，4为栅极绝缘氧化层，5为中等掺杂第一导电类型半导体体区，6为多晶硅栅电极，7为轻掺杂第二导电类型半导体漂移区，8为重掺杂第一导电类型半导体集电区，9为重掺杂第一导电类型半导体二极管区，10为重掺杂第二导电类型半导体二极管区，11为集电极金属，12为中等掺杂第二导电类型半导体场阻止区，13为重掺杂第二导电类型半导体集电区。
具体实施方式
实施例1
如图3所示，一种逆导型IGBT器件，包括发射极金属1、重掺杂第二导电类型半导体发射区2、重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区3、中等掺杂第一导电类型半导体体区5、多晶硅栅电极6、栅极绝缘氧化层4、轻掺杂第二导电类型半导体漂移区7、重掺杂第一导电类型半导体集电区8、重掺杂第一导电类型半导体二极管区9、重掺杂第二导电类型半导体二极管区10、集电极金属11；
所述多晶硅栅电极6的两侧为重掺杂第二导电类型半导体发射区2，重掺杂第二导电类型半导体发射区2远离多晶硅栅电极6的一侧为重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区3，重掺杂第二导电类型半导体发射区2和重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区3相接触，重掺杂第二导电类型半导体发射区2和重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区3的下方为中等掺杂第一导电类型半导体体区5，多晶硅栅电极6与重掺杂第二导电类型半导体发射区2之间、多晶硅栅电极6和重掺杂第一导电类型半导体体区5之间都由栅极绝缘氧化层4隔离；多晶硅栅电极6、重掺杂第二导电类型半导体发射区2、重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区3的上方都为发射极金属1，重掺杂第二导电类型半导体发射区2和重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区3的上表面均与发射极金属1相接触，多晶硅栅电极6的下方为轻掺杂第二导电类型半导体漂移区7，所述多晶硅栅电极6与发射极金属1之间、多晶硅栅电极6和轻掺杂第二导电类型半导体漂移区7之间由栅极绝缘氧化层4隔离；中等掺杂第一导电类型半导体体区5的下表面深度不超出多晶硅栅电极6的下表面深度，轻掺杂第二导电类型半导体漂移区7的上表面与中等掺杂第一导电类型半导体体区5相接触，所述轻掺杂第二导电类型半导体漂移区7的下表面与重掺杂第一导电类型半导体集电区8和重掺杂第二导电类型半导体二极管区10直接接触；第一导电类型半导体集电区8的两侧为重掺杂第二导电类型半导体二极管区10，所述重掺杂第二导电类型半导体二极管区10的下表面与重掺杂第一导电类型二极管区9接触，所述重掺杂第二导电类型半导体二极管区10的侧面和重掺杂第一导电类型二极管区9的侧面均与重掺杂第一导电类型半导体集电区8直接接触，所述重掺杂第一导电类型半导体集电区8的下表面和重掺杂第一导电类型二极管区9的下表面均与集电极金属11相接触，重掺杂第一导电类型二极管区9的掺杂浓度和重掺杂第二导电类型半导体二极管区10的掺杂浓度满足：
Figure BDA0002560620300000041
其中，ni为半导体本征载流子浓度，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，Eg为半导体禁带宽度，N1为重掺杂第一导电类型二极管区9的掺杂浓度，N2为重掺杂第二导电类型半导体二极管区10的掺杂浓度。
优选的，所述IGBT器件的材料为硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅半导体材料。
优选的，第一导电类型半导体为P型半导体，所述第二导电类型半导体为N型半导体；或者第一导电类型半导体为N型半导体，所述第二导电类型半导体为P型半导体。
优选的，所述轻掺杂为杂质浓度量级在1e16cm-3及以下的掺杂，所述中等掺杂为杂质浓度量级在1e16cm-3到1e18cm-3之间的掺杂，所述重掺杂为杂质浓度量级大于1e18cm-3的掺杂。
下面以第一导电类型半导体为P型半导体，第二导电类型半导体为N型半导体为例，结合本实施例1详细阐述本发明的工作原理：
IGBT处于正向导通模式下，实施例1器件的电极连接方式为：发射极金属1接低电位，多晶硅栅电极6接高电位，集电极金属11接高电位。在这种情况下，由重掺杂第一导电类型半导体二极管区9和重掺杂第二导电类型半导体二极管区10所构成的二极管处于正向偏置状态。由于重掺杂第一导电类型半导体二极管区9和重掺杂第二导电类型半导体二极管区10的掺杂浓度高，所形成二极管的正向导通压降大于由重掺杂第一导电类型半导体集电区8和轻掺杂第二导电类型半导体漂移区7构成的二极管的正向导通压降，器件只有在重掺杂第一导电类型半导体集电区8和轻掺杂第二导电类型半导体漂移区7构成的二极管开启后才有明显的电流流通。由于器件中不存在寄生VDMOS，IGBT的正向导通过程中也不会出现常规逆导型IGBT器件的snap-back现象。
IGBT处于反向阻断模式下，实施例1器件的电极连接方式为：发射极金属1接高电位，多晶硅栅电极6接低电位，集电极金属11接低电位。在这种情况下，由重掺杂第一导电类型半导体二极管区9和重掺杂第二导电类型半导体二极管区10所构成的二极管处于反向偏置状态。由于重掺杂第一导电类型半导体二极管区9的掺杂浓度和重掺杂第二导电类型半导体二极管区10的掺杂浓度满足：
Figure BDA0002560620300000051
因此重掺杂第一导电类型半导体二极管区9和N型二极管区10的势垒高度等于禁带宽度，由重掺杂第一导电类型半导体二极管区9和重掺杂第二导电类型半导体二极管区10构成的二极管在零偏压下的能带图如图4.1所示，重掺杂第一导电类型半导体二极管区9的价带顶Ev与重掺杂第二导电类型半导体二极管区10的导带顶Ec齐平。当该二极管处于反向偏置状态时，如图4.2所示，重掺杂第一导电类型半导体二极管区9与重掺杂第二导电类型半导体二极管区10之间的势垒高度将进一步增大，由重掺杂第二导电类型半导体二极管区10的导带与重掺杂第一导电类型半导体二极管区9的价带之间的等能量区间会扩大；同时由于重掺杂第一导电类型半导体二极管区9与重掺杂第二导电类型半导体二极管区10为重掺杂，其耗尽区宽度很窄，电子极易通过隧穿作用从重掺杂第一导电类型半导体二极管区9的价带跃迁到重掺杂第二导电类型半导体二极管区10的导带，形成较大的隧穿电流，起到续流二极管的作用。
实施例2
如图5所示，本实施例和实施例1的区别在于：轻掺杂第二导电类型半导体漂移区7的下表面和重掺杂第二导电类型半导体二极管区10之间设有中等掺杂第二导电类型半导体场阻止区12，所述第二导电类型半导体场阻止区12的下表面与第一导电类型半导体集电区8和重掺杂第二导电类型半导体二极管区10直接接触。
所述第二导电类型半导体场阻止区12的引入，可以进一步优化该逆导型IGBT的正向导通压降和反向耐压之间的折中关系。
本发明提出的一种逆导型IGBT器件，同样适用于碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅等半导体材料的器件。
以上结合附图对本发明的实施例进行了详细阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护。

Claims (5)

1.一种逆导型IGBT器件，包括发射极金属(1)、重掺杂第二导电类型半导体发射区(2)、重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区(3)、中等掺杂第一导电类型半导体体区(5)、多晶硅栅电极(6)、栅极绝缘氧化层(4)、轻掺杂第二导电类型半导体漂移区(7)、重掺杂第一导电类型半导体集电区(8)、重掺杂第一导电类型半导体二极管区(9)、重掺杂第二导电类型半导体二极管区(10)、集电极金属(11)；
所述多晶硅栅电极(6)的两侧为重掺杂第二导电类型半导体发射区(2)，重掺杂第二导电类型半导体发射区(2)远离多晶硅栅电极(6)的一侧为重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区(3)，重掺杂第二导电类型半导体发射区(2)和重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区(3)相接触，重掺杂第二导电类型半导体发射区(2)和重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区(3)的下方为中等掺杂第一导电类型半导体体区(5)，多晶硅栅电极(6)与重掺杂第二导电类型半导体发射区(2)之间、多晶硅栅电极(6)和重掺杂第一导电类型半导体体区(5)之间都由栅极绝缘氧化层(4)隔离；多晶硅栅电极(6)、重掺杂第二导电类型半导体发射区(2)、重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区(3)的上方都为发射极金属(1)，重掺杂第二导电类型半导体发射区(2)和重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区(3)的上表面均与发射极金属(1)相接触，多晶硅栅电极(6)的下方为轻掺杂第二导电类型半导体漂移区(7)，所述多晶硅栅电极(6)与发射极金属(1)之间、多晶硅栅电极(6)和轻掺杂第二导电类型半导体漂移区(7)之间由栅极绝缘氧化层(4)隔离；中等掺杂第一导电类型半导体体区(5)的下表面深度不超出多晶硅栅电极(6)的下表面深度，轻掺杂第二导电类型半导体漂移区(7)的上表面与中等掺杂第一导电类型半导体体区(5)相接触，所述轻掺杂第二导电类型半导体漂移区(7)的下表面与重掺杂第一导电类型半导体集电区(8)和重掺杂第二导电类型半导体二极管区(10)直接接触；第一导电类型半导体集电区(8)的两侧为重掺杂第二导电类型半导体二极管区(10)，所述重掺杂第二导电类型半导体二极管区(10)的下表面与重掺杂第一导电类型二极管区(9)接触，所述重掺杂第二导电类型半导体二极管区(10)的侧面和重掺杂第一导电类型二极管区(9)的侧面均与重掺杂第一导电类型半导体集电区(8)直接接触，所述重掺杂第一导电类型半导体集电区(8)的下表面和重掺杂第一导电类型二极管区(9)的下表面均与集电极金属(11)相接触，其特征在于：重掺杂第一导电类型二极管区(9)的掺杂浓度和重掺杂第二导电类型半导体二极管区(10)的掺杂浓度满足：
Figure FDA0002560620290000011
其中，ni为半导体本征载流子浓度，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，Eg为半导体禁带宽度，N1为重掺杂第一导电类型二极管区(9)的掺杂浓度，N2为重掺杂第二导电类型半导体二极管区(10)的掺杂浓度。
2.根据权利要求1所述的一种逆导型IGBT器件，其特征在于：轻掺杂第二导电类型半导体漂移区(7)的下表面和重掺杂第二导电类型半导体二极管区(10)之间设有中等掺杂第二导电类型半导体场阻止区(12)，所述第二导电类型半导体场阻止区(12)的下表面与第一导电类型半导体集电区(8)和重掺杂第二导电类型半导体二极管区(10)直接接触。
3.根据权利要求1至2任意一项所述的一种逆导型IGBT器件，其特征在于：所述IGBT器件的材料为硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅半导体材料。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种逆导型IGBT器件，其特征在于：第一导电类型半导体为P型半导体，所述第二导电类型半导体为N型半导体；或者第一导电类型半导体为N型半导体，所述第二导电类型半导体为P型半导体。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种逆导型IGBT器件，其特征在于：所述轻掺杂为杂质浓度量级在1e16cm-3及以下的掺杂，所述中等掺杂为杂质浓度量级在1e16cm-3到1e18cm-3之间的掺杂，所述重掺杂为杂质浓度量级大于1e18cm-3的掺杂。
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