CN113690309B - Ligbt、制备方法、智能功率模块、驱动电路及电器 - Google Patents

Ligbt、制备方法、智能功率模块、驱动电路及电器 Download PDF

Info

Publication number
CN113690309B
CN113690309B CN202110796455.9A CN202110796455A CN113690309B CN 113690309 B CN113690309 B CN 113690309B CN 202110796455 A CN202110796455 A CN 202110796455A CN 113690309 B CN113690309 B CN 113690309B
Authority
CN
China
Prior art keywords
region
doping
doped region
doped
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110796455.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113690309A (zh
Inventor
兰昊
严允健
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Midea Group Co Ltd
Guangdong Midea White Goods Technology Innovation Center Co Ltd
Original Assignee
Midea Group Co Ltd
Guangdong Midea White Goods Technology Innovation Center Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Midea Group Co Ltd, Guangdong Midea White Goods Technology Innovation Center Co Ltd filed Critical Midea Group Co Ltd
Priority to CN202110796455.9A priority Critical patent/CN113690309B/zh
Publication of CN113690309A publication Critical patent/CN113690309A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113690309B publication Critical patent/CN113690309B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70—Bipolar devices
    • H01L29/72—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
    • H01L29/739—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals controlled by field-effect, e.g. bipolar static induction transistors [BSIT]
    • H01L29/7393—Insulated gate bipolar mode transistors, i.e. IGBT; IGT; COMFET
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/0603—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/0684—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape, relative sizes or dispositions of the semiconductor regions or junctions between the regions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/41—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions
    • H01L29/423—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions not carrying the current to be rectified, amplified or switched
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66007—Multistep manufacturing processes
    • H01L29/66075—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
    • H01L29/66227—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
    • H01L29/66234—Bipolar junction transistors [BJT]
    • H01L29/66325—Bipolar junction transistors [BJT] controlled by field-effect, e.g. insulated gate bipolar transistors [IGBT]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

本发明公开了一种横向绝缘栅双极型晶体管、制备方法、智能功率模块、驱动电路及电器，通过对横向绝缘栅双极型晶体管的阳极结构进行设计，在第四掺杂区上方设置有第二栅结构，因此可以通过第二栅结构控制阳极的载流子通路。当横向绝缘栅双极型晶体管导通时，第二栅结构下方的第四掺杂区以及第五掺杂区正常向漂移区注入载流子，阳极不存在短路结构，因此可以避免横向绝缘栅双极型晶体管产生snapback现象；当横向绝缘栅双极型晶体管关断时，第二栅结构可以控制第四掺杂区表面反型，抽取漂移区以及第二掺杂区中的载流子，从而加速横向绝缘栅双极型晶体管的关断，进而降低了横向绝缘栅双极型晶体管的关断损耗。

Description

LIGBT、制备方法、智能功率模块、驱动电路及电器
技术领域
本发明涉及功率半导体器件领域，尤其涉及一种LIGBT、制备方法、智能功率模块、驱动电路及电器。
背景技术
横向绝缘栅双极型晶体管(Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor，LIGBT)具有易于集成、输入阻抗高以及导通压降低等优点，已广泛应用于通信、交通、能源、家用电器等领域。
传统的LIGBT器件在关断的过程中有明显的电荷存储效应，导致较大的关断损耗；阳极短路型横向绝缘栅型双极型晶体管(Shorted-anode Lateral Insulated GateBipolar Transistor，SA-LIGBT)在传统LIGBT器件的基础上，在阳极引入一阳极短路结构N+电极，一方面在LIGBT器件导通的过程中P+区注入效率降低，因此稳态时基区中积累的空穴减少，另一方面在关断的过程中为载流子提供抽取通道，从而提高关断速度，降低LIGBT器件的关态损耗。
但目前的SA-LIGBT器件在具体应用中的关态损耗仍然较大，而且阳极短路结构的引入也使得器件产生snapback现象，限制了LIGBT器件在更多领域的广泛应用。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的LIGBT、制备方法、智能功率模块、驱动电路及电器。
第一方面，提供一种绝缘栅双极型晶体管，包括自底向上依次设置的衬底、漂移区和电极结构，所述漂移区上设置有第一掺杂区和第二掺杂区；
所述第一掺杂区内设置有第三掺杂区，所述第二掺杂区内设置有第四掺杂区以及与所述第四掺杂区接触的第五掺杂区，所述第四掺杂区位于靠近所述第一掺杂区的一侧，所述第五掺杂区位于远离所述第一掺杂区的一侧；
其中，所述漂移区、所述第二掺杂区以及所述第三掺杂区的掺杂类型均为第一掺杂类型；所述第一掺杂区、所述第四掺杂区以及所述第五掺杂区的掺杂类型均为第二掺杂类型；所述第一掺杂类型与所述第二掺杂类型不相同；
所述电极结构包括：与所述第一掺杂区远离所述第二掺杂区的一侧以及所述第三掺杂区导通的发射极电极；位于所述第一掺杂区靠近所述第二掺杂区的一侧的上方的第一栅结构；位于所述第四掺杂区的上方的第二栅结构；与所述第四掺杂区以及所述第五掺杂区导通的集电极电极。
可选地，所述第一掺杂区远离所述第二掺杂区一侧的掺杂浓度高于靠近所述第二掺杂区一侧的掺杂浓度；
所述第五掺杂区的掺杂浓度高于所述第四掺杂区的掺杂浓度。
可选地，所述第一掺杂类型为N型掺杂，所述第二掺杂类型为P型掺杂。
可选地，在所述衬底与所述漂移区之间设置有埋氧层。
可选地，当所述LIGBT导通时，所述第二栅结构的电压等于所述集电极电极的电压，以避免产生电压回跳现象；
当所述LIGBT关断时，所述第二栅结构的电压比所述集电极电极的电压高，以使所述第四掺杂区表面反型，形成少子抽取通道。
第二方面，提供一种LIGBT器件制备方法，包括：
在衬底上制备上漂移区；
采用离子注入的方法在所述漂移区两侧形成第一掺杂区和第二掺杂区，并在所述第一掺杂区内形成第三掺杂区，在所述第二掺杂区内形成第四掺杂区和第五掺杂区，其中，所述漂移区、所述第二掺杂区以及所述第三掺杂区的掺杂类型均为第一掺杂类型；所述第一掺杂区、所述第四掺杂区以及所述第五掺杂区的掺杂类型均为第二掺杂类型；所述第一掺杂类型与所述第二掺杂类型不相同；
在所述第一掺杂区远离所述第二掺杂区的一侧以及所述第三掺杂区上形成发射极电极；在所述第一掺杂区靠近所述第二掺杂区的一侧的上方形成第一栅结构；在所述第四掺杂区的上方形成第二栅结构；在所述第四掺杂区以及所述第五掺杂区上形成集电极电极。
第三方面，提供一种智能功率模块，包括第一方面任一所述的LIGBT。
可选地，所述智能功率模块还包括逻辑控制电路，所述逻辑控制电路包括：
与所述第一栅结构连接的第一栅结构电压检测模块，用于判断所述绝缘栅双极型晶体管的开启和关断；
与电压源连接的自举电路模块，用于获得比所述集电极电极电压高的电压；
与所述第一栅结构电压检测模块以及所述自举电路模块连接的逻辑判定模块，用于根据所述第一栅结构电压检测模块的检测结果，判定所述自举电路模块获得的电压是否提供给所述第二栅结构。
第四方面，提供一种驱动电路，包括第一方面任一所述的LIGBT。
第五方面，提供一种电器，包括第一方面任一所述的LIGBT。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请设置对LIGBT的阳极结构进行设计，在第四掺杂区上方设置有第二栅结构，因此可以通过第二栅结构控制阳极的载流子通路。当LIGBT导通时，第二栅结构下方的第四掺杂区以及第五掺杂区正常向漂移区注入载流子，此时LIGBT的阳极不存在短路结构，因此可以避免产生snapback现象，提高器件的可靠性；当LIGBT关断时，该第二栅结构下方的第四掺杂区表面形成反型，积累少子，因此可以使漂移区以及第二掺杂区通过该反型层与第五掺杂区以及集电极电极连通，形成载流子抽取通道，加速LIGBT的关断，从而降低LIGBT的关态损耗。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例中提供的LIGBT结构示意图；
图2为本申请实施例中提供的基于图1的N型LIGBT结构示意图；
图3为本申请实施例中提供的LIGBT制备方法流程图；
图4为本申请实施例中提供的智能功率模块的示意图；
图5为本申请实施例中提供的逻辑控制电路示意图；
图6为本申请实施例中提供的驱动电路示意图；
图7为本申请实施例中提供的电器示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明中中使用的术语仅处于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包含复数形式。术语“包括”、“包含”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、元件和及或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其他特征、元件、部件、和及或它们的组合。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“底”、“前”、“上”、“下”、“顶”、“内”、“水平”、“外”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中机构的不同方位。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
下面结合附图并参考具体实施例描述本发明。
首先，结合图1描述本发明实施例提供的LIGBT1000，包括：
衬底1100、漂移区1200和电极结构1300，其中，电极结构1300设置于漂移区1200上，漂移区1200设置于衬底1100上；
第一掺杂区1400、第二掺杂区1500设置于漂移区1200上；
第三掺杂区1600设置于第一掺杂区1400内，第四掺杂区1700以及第五掺杂区1800设置于第二掺杂区1500内，且第四掺杂区1700位于靠近第一掺杂区1400的区域，第五掺杂区1800位于远离第一掺杂区1400的区域，第四掺杂区1700与第五掺杂区1800接触；
漂移区1200、第二掺杂区1500以及第三掺杂区1600的掺杂类型相同，均为第一掺杂类型；第一掺杂区1400、第四掺杂区1700以及第五掺杂区1800的掺杂类型相同，均为第二掺杂类型；第一掺杂类型与第二掺杂类型相异；
电极结构1300包括四个电极，这四个电极分别为发射极电极1310、第一栅结构1320、第二栅结构1330以及集电极电极1340，其中，发射极电极1310分别与第三掺杂区1600以及第一掺杂区1400远离第二掺杂区1500的一侧导通；第一栅结构1320设置于第一掺杂区1400靠近第二掺杂区1500的区域的上方；第二栅结构1330设置于第四掺杂区1700的上方；集电极电极1340与第四掺杂区1700和第五掺杂区1800导通。
需要说明的是，典型的阳极短路结构LIGBT的阳极下端设置有N+集电极，当LIGBT关断时，该短路结构可以抽取N型漂移区中的少子，加速LIGBT的关断。
而当绝缘栅双极型晶体管正向导通时，电子经过N+发射极与N型漂移区之间的MOS沟道进入N型漂移区，因此可以吸引P+集电极向N型漂移区中注入大量空穴，此时N型漂移区中存在大量的电子-空穴对，产生电导调制效应，从而使得导通电阻大大降低，进而降低了LIGBT的正向导通电压。但在器件正向导通的过程中，电子还会经过N+发射极、P体区的表面沟道、N型漂移区以及N+集电极，形成寄生的MOS结构，产生电子电流通路，导致出现电压回跳现象(即snapback效应)，从而影响器件的可靠性，限制了器件的应用，而且在这种结构中，LIGBT的关态损耗仍然较高。
而本发明提供的LIGBT器件，通过在阳极引入第二栅结构1330，并对应设置第四掺杂区1700和第五掺杂区1800具有相同的掺杂类型，从而可以通过第二栅结构1330控制LIGBT阳极的载流子通路，进而可以避免snapback现象并加速LIGBT的关断。
具体来讲，当LIGBT导通时，通过控制第二栅结构1330上施加的电压与集电极电极上施加的电压相等，因此第二栅结构1330下方的第四掺杂区1700与第五掺杂区1800一起，向漂移区1200注入载流子。由于此时LIGBT的阳极不存在短路结构，因此LIGBT不会产生snapback现象，并且由于第四掺杂区1700也向漂移区1200注入载流子，因此可以进一步降低LIGBT的导通电阻。
而当LIGBT关断时，通过控制第二栅结构1330上施加的电压比集电极电极1340上施加的电压大，可以使第四掺杂区1700与第二栅结构1330接触的表面形成反型，积累漂移区1200以及第二掺杂区1500中的少子，因此该反型层能够使漂移区1200以及第二掺杂区1500与第五掺杂区1800以及集电极电极1340连通，从而加快LIGBT的关断过程，使LIGBT的关态损耗得到降低。
在一些实施方式中，第一掺杂区1400中的不同区域具有不同的掺杂浓度，以使LIGBT器件正向导通时，产生更大量的载流子，从而降低LIGBT的正向开启电压。
具体来讲，第一掺杂区1400两侧的掺杂浓度不相同，其中，该掺杂区距离第二掺杂区1500相对较远的一侧的载流子掺杂浓度，要比该掺杂区距离第二掺杂区1500相对较近的一侧的载流子掺杂浓度高。更进一步，靠近第二掺杂区1500一侧是轻掺杂，而远离第二掺杂区1500一侧是重掺杂，以使LIGBT正向导通时，第四掺杂区1700以及第五掺杂区1800的载流子能更快进入漂移区1200，另外还可以吸引漂移区1200中剩余的来自第四掺杂区1700和第五掺杂区1800的少子通过轻掺杂区域从发射极电极1310流出。
第二掺杂区1500为与第四掺杂区1700以及第五掺杂区1800掺杂类型相异的轻掺杂，主要是为了减缓第四掺杂区1700和第五掺杂区1800的载流子流动速度，使来自第四掺杂区1700和第五掺杂区1800的载流子能尽可能多地与来自第三掺杂区1600的载流子复合，以产生效果更佳的电导调制效应。第三掺杂区1600为重掺杂，以在LIGBT导通时向漂移区1200中注入大量载流子。
第四掺杂区1700与第五掺杂区1800的掺杂类型相同，且第四掺杂区1700的掺杂浓度小于第五掺杂区1800的掺杂浓度，具体来讲，第四掺杂区1700为轻掺杂，以在LIGBT关断时，能够为漂移区中的载流子提供抽取通道；第五掺杂区1800为重掺杂，以在LIGBT导通时，可以向漂移区1200中注入大量载流子。
另外需要说明的是，所谓重掺杂是指掺杂物质和半导体原子浓度的比值约为千分之一，而对轻掺杂而言，掺杂物质和半导体原子浓度的比值则可能会到十亿分之一。
在一些实施方式中，第三掺杂区1600具体可位于第一掺杂区1400的中间偏向第二掺杂区1500一侧的位置，以使更多的载流子进入漂移区1200；第四掺杂区1700具体可位于第二掺杂区1500的中间偏向第一掺杂区1400一侧的位置，以在LIGBT关断的过程中抽取更多的载流子，从而加速LIGBT的关断，而第五掺杂区1800可以设置于第二掺杂区1500中远离第一掺杂区1400的位置，以使第五掺杂区1800与第三掺杂区1600之间具有更远的距离，从而可以使来自第三掺杂区1600的载流子和来自第五掺杂区1800的载流子充分复合，进而进一步降低LIGBT的导通电阻。当然还可根据实际的需求设置第三掺杂区1600、第四掺杂区1700和第五掺杂区1800在其他位置，对此不作限制。
在一些实施方式中，还可以根据实际的需求设计第三掺杂区1600、第四掺杂区170以及第五掺杂区1800的尺寸，例如，如果需要LIGBT的导通电阻小，可以将第三掺杂区1600的尺寸做大一些或者将第五掺杂区1800的尺寸相对第四掺杂区1700做小一些，如果需要LIGBT的关态损耗小，可以将第四掺杂区1700的尺寸相对第五掺杂区1800做大一些。对第三掺杂区1600、第四掺杂区1700和第五掺杂区1800的尺寸也不作具体限制。
在漂移区1200上设置有电极结构1300，包括发射极电极1310、第一栅结构1320、第二栅结构1330以及集电极电极1340。
其中，发射极电极1310设置于第三掺杂区1600以及第一掺杂区1400中轻掺杂区域的上方，将发射极电极1310设置于第三掺杂区1600上方，可以使LIGBT导通过程中从阳极产生的部分少子从发射极电极1310流出，从而确保LIGBT产生良好的电导调制效应。
第一栅结构1320设置于第一掺杂区1400中轻掺杂区域的上方，与第三掺杂区1600以及漂移区1200一起构成MOS结构，为第三掺杂区1600中的载流子提供进入漂移区1200的通道，或者，第一栅结构1320还可以位于第三掺杂区以及第一掺杂区1400中轻掺杂区域的上方，以更精确地控制该MOS结构的沟道长度。
第二栅结构1330设置于第四掺杂区1700的上方，以控制第四掺杂区1700中的载流子流向，或者，第二栅结构1330还可以位于第二掺杂区1500以及第四掺杂区1700上方，以更精确地控制第四掺杂区1700中的载流子流向。
集电极电极1340设置于第五掺杂区1800上方，或者设置于第四掺杂区1700以及第五掺杂区1800的上方，在对LIGBT提供电压以外，还能够引流从漂移区1200抽取的少子。
在一些实施方式中，第一栅结构1320以及第二栅结构1330进一步位于漂移区1200上的栅氧化层上，栅氧化层具体可以采用二氧化硅、多晶硅等，在此不作限制。更具体地，第一栅结构1320以及第二栅结构1330可以位于同一个栅氧化层上，以简化LIGBT的制备工艺步骤，节省工艺时间。而发射极电极1310、第一栅结构1320、第二栅结构1330以及集电极电极1340的材料具体可以为镁、铝、钛、钒、铬、锰、镍、铜、锌、镓、钼、铅、银、钨、铂、金等导电金属，或者这些导电金属合金。
在一些实施方式中，埋氧层1800设置在衬底1100之上，且位于漂移区1200之下，即位于两者之间的位置，以将漂移区1200与衬底1100完全绝缘隔离，防止出现衬底电流泄露并承担LIGBT器件的纵向电压。该埋氧层1800的材料可以是注氧的二氧化硅、多晶硅等，在此不作限制。
在一些实施方式中，第一掺杂类型可以是使得掺杂区域为N型半导体的掺杂，例如掺杂离子为磷、砷、锑、铋等，第二掺杂类型可以是使得掺杂区域为P型半导体的掺杂，例如掺杂离子为硼、铟等。
LIGBT按照沟道类型可以划分为N型沟道LIGBT以及P型沟道LIGBT，N型沟道IGBT在导电过程中有电子流动，P型沟道LIGBT在导电过程中使用空穴，由于电子的迁移率一般是空穴的三倍，因此，N型沟道LIGBT的工作效率要高于P型沟道LIGBT，应用也较P型沟道LIGBT更广一些。在具体实施过程中，可以根据实际需要对LIGBT的类型进行选择，本发明实施例中，以N型沟道LIGBT为例来进行说明。
如图2所示，衬底1100为P型衬底，漂移区1200为N-漂移区，在衬底1100上设置有埋氧层1800，以将衬底1100与设置于埋氧层1800上的漂移区1200绝缘隔离，避免出现衬底电流泄露的现象。
在N-漂移区1200上设置有第一掺杂区1400，其掺杂类型为P型。具体来讲，在第一掺杂区1400内部设置有两个掺杂浓度相异的区域，其中远离第二掺杂区1500的区域1420为P型重掺杂，称为P+体区，第一掺杂区1400中剩下的区域1410为P型轻掺杂，称为P体区；第三掺杂区1600位于P+体区1420与P体区1410之间，为N型重掺杂，称为N+发射极。
第二掺杂区1500设置于N-漂移区1200上与第一掺杂区1400相对的位置，其掺杂类型为N型轻掺杂，称为N型缓冲区；在N型缓冲区1500内设置有P-掺杂层1700和P+集电极1800，其中，P-掺杂层1700和P+集电极1800相互接触。
在N-漂移区1200上方还设置有电极结构1300。其中，发射极电极1310设置在P+体区1420和N+发射极1600上，集电极电极1340设置在P+集电极1800以及P-掺杂层1700上；第一栅结构1320设置在N+发射极1600以及P体区1410上，第二栅结构1330设置在P-掺杂层1700以及N型缓冲区1500上方，更具体地，第一栅结构1320、第二栅结构1330是设置在栅氧化层1350上。
下面，结合图2详细介绍该LIGBT器件的工作原理：
在图2中，P+集电极1800、N-漂移区1200和P体区1410构成水平PNP双极型晶体管；N+发射极1600、P体区1410以及N-漂移区1200构成垂直NPN双极型晶体管；N+发射极1600、第一栅结构1320和N-漂移区1200构成NMOS结构，可以称为阴极NMOS结构；P-掺杂层1700、第二栅结构1330以及N-型缓冲区1500构成场效应晶体管。
当第一栅结构1320上施加足够大的正向偏压，以及集电极电极1340和第二栅结构1330上施加一定的正向偏压时(此时设置第二栅结构1330与集电极电极1340的电压相等)，来自N+发射极1600的电子流经过阴极NMOS结构进入漂移区1200，并在水平PNP双极型晶体管的PN结边界积累，降低了该PN结N区一侧的电势，当该PN结两端的电压大于开启电压时，P+集电极1800向漂移区1200注入空穴，水平PNP双极型晶体管处于导通状态，亦即LIGBT开始导通。
在这个过程中，由于第二栅结构1330处的电压与集电极电极1340的电压相等且方向相同，因此第二栅结构1330控制P-掺杂层1700向漂移区1200中正常注入空穴，由于在这个过程中,LIGBT阳极没有短路结构，因此不会生成阴极到阳极的寄生电容结构，从而避免了LIGBT中snapback现象的产生，保证了LIGBT的稳定性和可靠性。
而当关断LIGBT时，控制第二栅结构1330上施加的电压高于集电极1340上施加的电压，此时第二栅结构1330下方P-掺杂层1700的表面反型，吸引N-漂移区1200与N型缓冲区1500中的电子，并使电子从与P-掺杂层1700接触的P+集电极1800以及集电极电极1340流出，从而加速LIGBT的关断过程，使LIGBT的关断损耗降低。
然后，结合图1和图3描述本发明实施例提供的LIGBT的制备方法，包括：
步骤S301，在衬底1100上制作一定厚度的外延层，并对该外延层进行离子注入，以制备漂移区1200；
步骤S302，采用离子注入的方法，先在漂移区1200的两侧分别制备第一掺杂区1400、第二掺杂区1500，然后在第一掺杂区1400内制备第三掺杂区1600，并在第二掺杂区1500内制备第四掺杂区1700和第五掺杂区1800，其中，漂移区1200、第二掺杂区1500以及第三掺杂区1600采用第一掺杂类型；第一掺杂区1400、第四掺杂区1700以及第五掺杂区1800采用第二掺杂类型；第一掺杂类型与第二掺杂类型不同；
步骤S303，在步骤S302形成的器件上进一步形成电极结构，包括形成发射极电极1310、第一栅结构1320、第二栅结构1330以及集电极电极1340。
其中，发射极电极1310形成于第三掺杂区1600以及第一掺杂区1400中远离第二掺杂区1500的区域的上方；第一栅结构1320形成于第一掺杂区1400靠近第二掺杂区1500的区域的上方；第二栅结构1330形成于第四掺杂区1700的上方；集电极电极1340形成于第五掺杂区1800以及第四掺杂区1700上。
在一些实施方式中，第一掺杂类型为N型掺杂，第二掺杂类型为P型掺杂，其中，N型掺杂和P型掺杂可以分别通过磷离子注入和硼离子注入工艺实现。
在一些实施方式中，在形成第一掺杂区1400时，靠近第二掺杂区1500一侧的掺杂浓度低于远离第二掺杂区1500一侧的掺杂浓度；而第四掺杂区1700的掺杂浓度则低于第五掺杂区1800的掺杂浓度。
本实施例提供的LIGBT制备方法，未引入额外的工艺步骤，与传统的制备方法完全兼容。
接下来，结合图4描述本发明实施例提供的智能功率模块(Intelligent PowerModule，IPM)，包括本发明实施例提供的LIGBT1000。
IPM是一种先进的功率开关器件，其本质上是集成了功率器件及功率器件驱动电路的功率驱动类产品。IPM广泛应用于交流电机变频调速和直流电机斩波调速以及各种高性能电源、工业电气自动化、新能源等领域，有着广阔的市场。
在一些实施方式中，智能功率模块4000还包括逻辑控制电路4001，该逻辑控制电路4001主要用于根据LIGBT的通断状态，为LIGBT的第二栅结构1330提供电压。
结合图5，该逻辑控制电路4001包括自举电路模块5002、第一栅结构电压检测模块5001以及逻辑判定模块5003。
其中，自举电路模块5002与电压源连接，可以获得一个比集电极电极处的电压高的电压；第一栅结构电压检测模块5001则与第一栅结构1310连接，可以实时判断LIGBT的开启和关断动作，具体来讲，第一栅结构电压检测模块5001主要由阈值电压比较逻辑和第一栅结构电压变化趋势逻辑组成，以实时准确地判断出LIGBT的启闭状态；第一栅结构电压检测模块5001、自举电路模块5002分别与逻辑判断模块5003连接，因此逻辑判断模块5003能够根据第一栅结构电压检测模块5001的检测结果，判定是否将自举电路模块5002产生的电压提供给第二栅结构1330。
即当第一栅结构电压检测模块5001检测到LIGBT开启时，将该信号传递给逻辑判定模块5003，逻辑判定模块5003控制将自举电路模块5002获得的电压不提供给第二栅结构1330，此时，第二栅结构1330处的电压与集电极电极1340处的电压相等，第四掺杂区1700与第五掺杂区1800一起，正常向漂移区1200注入载流子，也就是说此时的LIGBT中不存在阳极短路结构，因此可以避免snapback现象，从而确保了LIGBT的可靠性，进而确保了IPM的可靠性。
当第一栅结构电压检测模块5001检测到LIGBT关断时，逻辑判定模块5003接收从第一栅结构电压检测模块5001发出的LIGBT关断信号，控制将自举电路模块5002获得比集电极电极1340高的电压提供给第二栅结构1330，因此第二栅结构1330能够控制第四掺杂区1700表面反型，不断抽取漂移区1200以及第二掺杂区1500中的少子，从而降低LIGBT的关断时间，进而降低了IPM的关断损耗。
再下来，结合图6描述本发明实施例提供的驱动电路6000，包括：如本发明上述任一种实施例的LIGBT1000。
由于本实施例提供的LIGBT中不存在snapback效应并且关态损耗低，因此装配有该LIGBT的驱动电路，其功率损耗也同步降低。
再下来，结合图7描述本发明实施例提供的电器7000，包括：如本发明上述任一种实施例的LIGBT1000。该电器7000可以是空调、交流电机、直流电机以及各种高性能电源如UPS(Uninterruptible Power System，不间断电源)、电焊机、感应加热器等，只要是包括本发明实施例的LIGBT，都属于本发明所欲保护的范围。
通过在电器中装配本实施例提供的LIGBT，降低了电器的功率损耗，提高了电器的散热效果，并且提高了电器的可靠性
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种横向绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，包括自底向上依次设置的衬底、漂移区和电极结构，所述漂移区上设置有第一掺杂区和第二掺杂区；
所述第一掺杂区内设置有第三掺杂区，所述第二掺杂区内设置有第四掺杂区以及与所述第四掺杂区接触的第五掺杂区，所述第四掺杂区位于靠近所述第一掺杂区的一侧，所述第五掺杂区位于远离所述第一掺杂区的一侧；
其中，所述漂移区、所述第二掺杂区以及所述第三掺杂区的掺杂类型均为第一掺杂类型；所述第一掺杂区、所述第四掺杂区以及所述第五掺杂区的掺杂类型均为第二掺杂类型；所述第一掺杂类型与所述第二掺杂类型不相同；
所述电极结构包括：与所述第一掺杂区远离所述第二掺杂区的一侧以及所述第三掺杂区导通的发射极电极；位于所述第一掺杂区靠近所述第二掺杂区的一侧的上方的第一栅结构；位于所述第四掺杂区的上方的第二栅结构；与所述第四掺杂区以及所述第五掺杂区导通的集电极电极；
当所述横向绝缘栅双极型晶体管导通时，所述第二栅结构的电压等于所述集电极电极的电压；
当所述横向绝缘栅双极型晶体管关断时，所述第二栅结构的电压比所述集电极电极的电压高；
其中，第四掺杂区的掺杂浓度小于第五掺杂区的掺杂浓度；第四掺杂区为轻掺杂，以在LIGBT关断时，为漂移区中的载流子提供抽取通道；第五掺杂区为重掺杂，以在LIGBT导通时，向漂移区中注入大量载流子。
2.如权利要求1所述的横向绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，
所述第一掺杂区远离所述第二掺杂区一侧的掺杂浓度高于靠近所述第二掺杂区一侧的掺杂浓度；
所述第五掺杂区的掺杂浓度高于所述第四掺杂区的掺杂浓度。
3.如权利要求1所述的横向绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述第一掺杂类型为N型掺杂，所述第二掺杂类型为P型掺杂。
4.如权利要求1所述的横向绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，在所述衬底与所述漂移区之间设置有埋氧层。
5.一种横向绝缘栅双极型晶体管制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上制备上漂移区；
在所述漂移区两侧形成第一掺杂区和第二掺杂区，并在所述第一掺杂区内形成第三掺杂区，在所述第二掺杂区内形成第四掺杂区和第五掺杂区，其中，所述漂移区、所述第二掺杂区以及所述第三掺杂区的掺杂类型均为第一掺杂类型；所述第一掺杂区、所述第四掺杂区以及所述第五掺杂区的掺杂类型均为第二掺杂类型；所述第一掺杂类型与所述第二掺杂类型不相同；
在所述第一掺杂区远离所述第二掺杂区的一侧以及所述第三掺杂区上形成发射极电极；在所述第一掺杂区靠近所述第二掺杂区的一侧的上方形成第一栅结构；在所述第四掺杂区的上方形成第二栅结构；在所述第四掺杂区以及所述第五掺杂区上形成集电极电极；
当所述横向绝缘栅双极型晶体管导通时，所述第二栅结构的电压等于所述集电极电极的电压；
当所述横向绝缘栅双极型晶体管关断时，所述第二栅结构的电压比所述集电极电极的电压高；
其中，第四掺杂区的掺杂浓度小于第五掺杂区的掺杂浓度；第四掺杂区为轻掺杂，以在LIGBT关断时，为漂移区中的载流子提供抽取通道；第五掺杂区为重掺杂，以在LIGBT导通时，向漂移区中注入大量载流子。
6.一种智能功率模块，其特征在于，包括如权利要求1～4任一所述的横向绝缘栅双极型晶体管。
7.如权利要求6所述的智能功率模块，其特征在于，还包括逻辑控制电路，所述逻辑控制电路包括：
与所述第一栅结构连接的第一栅结构电压检测模块，用于判断所述绝缘栅双极型晶体管的开启和关断；
与电压源连接的自举电路模块，用于获得比所述集电极电极电压高的电压；
与所述第一栅结构电压检测模块以及所述自举电路模块连接的逻辑判定模块，用于根据所述第一栅结构电压检测模块的检测结果，判定所述自举电路模块获得的电压是否提供给所述第二栅结构。
8.一种驱动电路，其特征在于，包括如权利要求1～4任一所述的横向绝缘栅双极型晶体管。
9.一种电器，其特征在于，包括如权利要求1～4任一所述的横向绝缘栅双极型晶体管。
CN202110796455.9A 2021-07-14 2021-07-14 Ligbt、制备方法、智能功率模块、驱动电路及电器 Active CN113690309B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110796455.9A CN113690309B (zh) 2021-07-14 2021-07-14 Ligbt、制备方法、智能功率模块、驱动电路及电器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110796455.9A CN113690309B (zh) 2021-07-14 2021-07-14 Ligbt、制备方法、智能功率模块、驱动电路及电器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113690309A CN113690309A (zh) 2021-11-23
CN113690309B true CN113690309B (zh) 2023-10-20

Family

ID=78577080

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110796455.9A Active CN113690309B (zh) 2021-07-14 2021-07-14 Ligbt、制备方法、智能功率模块、驱动电路及电器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113690309B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117438451A (zh) * 2022-07-12 2024-01-23 无锡华润上华科技有限公司 横向绝缘栅双极晶体管及其制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109065608A (zh) * 2018-08-20 2018-12-21 电子科技大学 一种横向双极型功率半导体器件及其制备方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100187635B1 (ko) * 1996-03-20 1999-07-01 김충환 단락 애노우드 수평형 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터
US7605446B2 (en) * 2006-07-14 2009-10-20 Cambridge Semiconductor Limited Bipolar high voltage/power semiconductor device having first and second insulated gated and method of operation
CN108122963B (zh) * 2017-12-22 2021-02-09 重庆大学 一种电势控制快速横向绝缘栅双极型晶体管
CN112768517B (zh) * 2019-11-04 2022-06-21 东南大学 绝缘栅双极型晶体管

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109065608A (zh) * 2018-08-20 2018-12-21 电子科技大学 一种横向双极型功率半导体器件及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113690309A (zh) 2021-11-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI624947B (zh) 橫向雙極功率半導體電晶體、橫向絕緣閘雙極電晶體、提高橫向功率半導體電晶體之切換速度的方法以及pin二極體
US9082648B2 (en) Vertical insulated-gate turn-off device having a planar gate
CN108258039B (zh) 电导率调制漏极延伸mosfet
CN108550619B (zh) 具有降低的反馈电容的igbt
US20150187877A1 (en) Power semiconductor device
US11393901B2 (en) Cell layouts for MOS-gated devices for improved forward voltage
CN116504817A (zh) 开关速度快且损耗低的rc-igbt结构及其制备方法
CN113690309B (zh) Ligbt、制备方法、智能功率模块、驱动电路及电器
CN110504314B (zh) 一种沟槽型绝缘栅双极晶体管及其制备方法
CN113690310A (zh) Ligbt、制备方法、智能功率模块、驱动电路及电器
CN117038718A (zh) 一种具有三栅结构的复合型rc-ligbt器件
CN110783398A (zh) 一种大电流绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管
CN110504315B (zh) 一种沟槽型绝缘栅双极晶体管及其制备方法
EP3881360B1 (en) Insulated gate bipolar transistor
CN111223922B (zh) 抗闩锁绝缘栅双极晶体管器件
CN113838913A (zh) 分段式注入的自钳位igbt器件及其制作方法
CN112018172A (zh) 绝缘栅双极型晶体管、智能功率器件及电子产品
CN103489909B (zh) 具有空穴复合层的igbt终端结构及其制备方法
EP4187615A1 (en) Npnp layered mos-gated trench device having lowered operating voltage
US11610987B2 (en) NPNP layered MOS-gated trench device having lowered operating voltage
CN112310205B (zh) 绝缘栅双极型晶体管及其制作方法
CN110459597B (zh) 一种沟槽型绝缘栅双极晶体管及其制备方法
CN113497112A (zh) 绝缘栅双极型晶体管、智能功率器件及电子产品
CN115458593A (zh) 一种集成自偏置pmos的低功耗ligbt器件
CN114420744A (zh) 一种利用自偏置mos钳位的具有晶闸管结构的igbt器件

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant