CN113690310A - 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
CN113690310A
CN113690310A CN202110797830.1A CN202110797830A CN113690310A CN 113690310 A CN113690310 A CN 113690310A CN 202110797830 A CN202110797830 A CN 202110797830A CN 113690310 A CN113690310 A CN 113690310A
Authority
CN
China
Prior art keywords
region
doping
doped region
bipolar transistor
ligbt
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.)
Pending
Application number
CN202110797830.1A
Other languages
English (en)
Inventor
兰昊
刘海清
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 CN202110797830.1A priority Critical patent/CN113690310A/zh
Publication of CN113690310A publication Critical patent/CN113690310A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

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]
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (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)

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、驱动电阻电器，本发明通过对横向绝缘栅双极型晶体管的阳极结构进行设计，通过第二掺杂区、第四掺杂区以及第二栅结构的设置，构成一个MOSFET；当横向绝缘栅双极型晶体管导通时，该MOSFET处于关闭状态，即第二栅结构关断了漂移区和第四掺杂区之间的载流子通道，因此可以避免横向绝缘栅双极型晶体管中的snapback现象，提高器件的可靠性；当横向绝缘栅双极型晶体管关断时，第二栅结构开通漂移区和第四掺杂区之间的载流子通道，形成载流子抽取通道，可以加速横向绝缘栅双极型晶体管的关断，从而降低横向绝缘栅双极型晶体管的关态损耗。

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。但阳极短路结构的引入同时也使LIGBT器件产生snapback现象，影响器件的可靠性，而且目前的LIGBT的关态损耗仍然较高。
也就是说，目前的LIGBT器件存在关态损耗较高以及由snapback效应引起的器件可靠性的问题。
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LIGBT，包括自底向上依次设置的衬底、漂移区和电极结构，漂移区上设置有第一掺杂区和第二掺杂区；
在第一掺杂区内设置有第三掺杂区，在第二掺杂区内设置有第四掺杂区；其中，漂移区、第三掺杂区以及第四掺杂区的掺杂类型均为第一掺杂类型；第一掺杂区和所述第二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、位于所述第二掺杂区靠近所述第一掺杂区的一侧的上方的第二栅结构和与所述第二掺杂区远离所述第一掺杂区的一侧以及所述第四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；
所述第二掺杂区远离所述第一掺杂区一侧的掺杂浓度高于靠近所述第一掺杂区一侧的掺杂浓度。
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，所述第二栅结构处的电压等于所述集电极电极的电压，以关断所述第三掺杂区与所述漂移区之间的载流子通道；
当所述LIGBT关断时，所述第二栅结构处的电压比所述集电极电极的电压高，以开通第三掺杂区与所述漂移区之间的载流子通道，形成载流子抽取通道。
第二方面，提供一种LIGBT器件制备方法，包括：
在衬底上制备埋氧层并在所述埋氧层上制备漂移区；
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以及在第二掺杂区内形成第四掺杂区，其中，所述漂移区、所述第三掺杂区以及所述第四掺杂区的掺杂类型均为第一掺杂类型；所述第一掺杂区和所述第二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；在所述第二掺杂区靠近所述第一掺杂区的一侧的上方形成第二栅结构；在所述第二掺杂区远离所述第一掺杂区的一侧以及所述第四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，该智能功率模块包括上述第一方面提供的任一种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LIGBT的开启和关断；
与电压源连接自举电路模块，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，该空调包括上述第一方面提供的任一种LIGBT。
第五方面，提供一种电器，该电器包括上述第一方面提供的任一种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，通过第二掺杂区、第四掺杂区以及第二栅结构的设置，构成一个MOSFET，故可以通过第二栅结构控制该MOSFET的开关，从而当LIGBT导通时，能够设置MOSFET处于关闭状态，即第二栅结构关断了漂移区和第四掺杂区之间的载流子通道，因此可以避免LIGBT中的snapback现象，提高器件的可靠性；当LIGBT关断时，能够设置第二栅结构开通漂移区和第四掺杂区之间的载流子通道，形成载流子抽取通道，可以加速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的一种具体的LIGBT结构示意图；
图3为本申请实施例中提供的LIGBT器件制备方法流程图；
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位于漂移区1200上，漂移区1200位于衬底1100上；
在漂移区1200上设置有两个不同的掺杂区域，分别为第一掺杂区1400和第二掺杂区1500；在第一掺杂区1400内预设的区域设置有第三掺杂区1600，在第二掺杂区1500内预设的区域设置有第四掺杂区1700；
在本实施例提供的LIGBT中，共有两种不同的掺杂类型。其中，采用第一掺杂类型的掺杂区为漂移区1200、第三掺杂区1600和第四掺杂区1700；采用第二掺杂类型的掺杂区为第一掺杂区1400和第二掺杂区1500。
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设置于第二掺杂区1500靠近第一掺杂区1400的一侧的上方；集电极电极1340，与第四掺杂区1700导通，并与第二掺杂区1500远离第一掺杂区1400的一侧导通。
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，从而减少LIGBT的关断时间。
当LIGBT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，从而产生电子电流通路，导致出现电压回跳现象(即snapback效应)，影响器件的可靠性，限制了LIGBT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设置有第二栅结构1330，在第二栅结构1330下方还对应设置不同类型的掺杂区，因此不存在snapback效应，而且可以使LIGBT的关态损耗降低。
具体来讲，当LIGBT导通时，可以通过设置第二栅结构1330上的电压与集电极电极1340上的电压相等，以关断第四掺杂区1700与漂移区1200之间的载流子通道，从而第三掺杂区1600、第一掺杂区1400、漂移区1200以及第四掺杂区1700之间的电流通路被切断，因此LIGBT中不会产生snapback效应；而当LIGBT关断时，控制在第二栅结构1330上施加的电压高于在集电极电极1340施加上的电压，能够开启第四掺杂区1700与漂移区1200之间的载流子通道，使漂移区1200中的少子被抽走，从而降低了LIGBT的关断时间，进而达到降低器件的关断损耗的技术效果。
在一些实施方式中，第一掺杂区1400中以及第二掺杂区1500中不同的区域具有不同的掺杂浓度，因此当LIGBT器件正向导通时，可以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，在第一掺杂区1400中可以有两个不同的掺杂浓度区域，其中，该掺杂区距离第二掺杂区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相对较近的一侧的载流子掺杂浓度高；在第二掺杂区1500中两侧的掺杂浓度也不相同，其中，靠近第一掺杂区1400的一侧的掺杂浓度低于远离第一掺杂区1400的一侧的掺杂浓度。
更进一步，在第一掺杂区1400中，远离第二掺杂区1500的一侧属于重掺杂，靠近第二掺杂区1500的一侧属于轻掺杂，因此当LIGBT导通时，可以加速第三掺杂区1600的载流子进入漂移区1200，另一方面，还可以使来自第二掺杂区1500的少子更加顺畅地通过靠近第二掺杂区1500的一侧的区域流出；而在第二掺杂区1500中，远离第一掺杂区1400的区域属于重掺杂，因此当LIGBT器件导通时，可以向漂移区1200注入大量的载流子，以产生电导调制效应，降低LIGBT的导通电压；靠近第一掺杂区1400的一侧则属于轻掺杂，以形成可控的载流子通道，当LIGBT关断时，可以通过设置第二栅结构1330的电压来形成载流子抽取通道，加速LIGBT器件的关断。
另外，第三掺杂区1600以及第四掺杂区1700也为重掺杂，因此当LIGBT导通时，第三掺杂区1600可以向漂移区1200注入更多载流子，当LIGBT器件关断时，由于第四掺杂区1700为重掺杂，因此对漂移区1200中的载流子的抽取效果更好，从而更快速地关断LIGBT。
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，从而更快速地关断LIGBT，当然还可根据实际的需求设置第三掺杂区1600和第四掺杂区1700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和第四掺杂区1700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的尺寸相对做大一些，或者将第四掺杂区1700的尺寸相对做小一些，对第三掺杂区1600和第四掺杂区1700的尺寸也不作具体限制。
在漂移区1200上设置有电极结构1300，包括第一栅结构1320、第二栅结构1330、发射极电极1310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中远离第二掺杂区1500的区域上方，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位于第一掺杂区1400中靠近第二掺杂区1500的区域的上方，与第三掺杂区1600以及漂移区1200一起构成MOS结构，以为第三掺杂区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1600以及第一掺杂区1400中靠近第二掺杂区1500的区域的上方，以更精确地控制该MOS结构的沟道长度；同理，第二栅结构1330位于第二掺杂区1500中靠近第一掺杂区1400的区域的上方，与漂移区1200以及第四掺杂区1700构成另一个MOS结构，为漂移区1200中的少子提供载流子抽取通道，或者，第二栅结构1330还可以位于第二掺杂区1500中靠近第一掺杂区1400的区域以及第四掺杂区1700上方，以更好地控制第二栅结构1330对应的MOS结构的导电沟道。
集电极电极1340设置于第二掺杂区1500中远离第一掺杂区1400的区域以及第四掺杂区1700上方，从而在对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。电极材料具体可以为镁、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LIGBT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。更具体地，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，靠近第二掺杂区域1500的一侧1410的掺杂浓度低于第一掺杂区1400中剩下的区域1420，在N型LIGBT中，区域1420称为P+体区，区域1410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。
在N-漂移区1200上与第一掺杂区1400相对的位置设置有第二掺杂区1500，其掺杂类型也为P型。第二掺杂区1500的不同区域也具有不同的掺杂浓度，其中，远离第一掺杂区域1400的一侧1520相对于第二掺杂区1500中剩下的区域来说，具有更高的掺杂浓度，在区域1510和区域1520之间设置有第四掺杂区1700，其掺杂类型为N型重掺杂，称为N+集电极，而区域1510称为P-集电极掺杂区，区域1520称为P+集电极。
在N-漂移区1200上方还设置有电极结构1300。其中，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N+集电极1700以及P-集电极掺杂区1510上方，更具体地，第一栅结构1320、第二栅结构1330是设置在氧化层1350上。而发射极电极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1520以及N+集电极1700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1520、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；N+集电极1700、第二栅结构1330以及N-漂移区1200构成另一个NMOS结构，可以称为阳极NMOS结构。
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1520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处的电压未达到开启电压，因此阳极NMOS结构处于关断状态，从而切断了N+发射极1600、P体区1410、漂移区1200以及P+集电极1520之间的电子电流通路，因此LIGBT不会产生snapback现象；
而当关断LIGBT时，设置第二栅结构1330上施加的电压高于集电极1340上施加的电压，使阳极NMOS结构开启，亦即此时第二栅结构1330能够打开N+集电极1700与N-漂移区1200之间的载流子通道，对N-漂移区1200中的载流子进行抽取，从而可以加速LIGBT的关断过程，使LIGBT的关断损耗下降。
也就是说，本发明实施例提供的LIGBT，一方面在LIGBT导通时，不存在snapback现象，另一方面，在LIGBT关断时，可以使LIGBT的关断损耗下降。
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，分别在漂移区1200两侧形成第一掺杂区1400、第二掺杂区1500；在第一掺杂区1400中形成第三掺杂区1600，在第二掺杂区1500内形成第四掺杂区1700，其中，第三掺杂区1600、第四掺杂区1700以及漂移区1200均采用第一掺杂类型；第一掺杂区1400和第二掺杂区1500的掺杂类型相同，均采用第二掺杂类型；第一掺杂类型与第二掺杂类型是两种不同的掺杂类型；
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远离第二掺杂区1500的一侧的上方；第一栅结构1320形成于第一掺杂区1400中，且靠近第二掺杂区1500的区域的上方；第二栅结构1330形成于第二掺杂区1500中，且靠近第一掺杂区1400的区域的上方；集电极电极1340形成于第四掺杂区1700以及第二掺杂区1500远离第一掺杂区1400的一侧的上方。
在可选的实施例中，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。另外，在采用离子注入的方法形成第一掺杂区1400和第二掺杂区1500时，在两个掺杂区的不同区域采用了不同的离子注入浓度，因此当LIGBT正向导通时，可以产生更大量的载流子，从而降低LIGBT的正向开启电压。
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提供额外的电压。
结合图5，该逻辑控制电路4001进一步包括自举电路模块5002、第一栅结构电压检测模块5001和逻辑判定模块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上施加的电压高的电压；而第一栅结构电压检测模块5001则与第一栅结构1310连接，能够实时判断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，以使逻辑判断模块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处1340的电压相等，关断了LIGBT中漂移区1200与第四掺杂区1700之间的载流子通道，从而避免了电压跳变现象，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，控制给第二栅结构1330提供自举电路模块5002获得的电压，此时，第二栅结构1330处的电压高于集电极电极1340处的电压，第二栅结构1330开启漂移区1200与第四掺杂区1700之间的载流子通道，漂移区1200中的少子通过该载流子通道被抽取到第四掺杂区1700，从而加速了LIGBT的关断，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 (10)

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；其中，所述漂移区、所述第三掺杂区以及所述第四掺杂区的掺杂类型均为第一掺杂类型；所述第一掺杂区和所述第二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、位于所述第二掺杂区靠近所述第一掺杂区的一侧的上方的第二栅结构和与所述第二掺杂区远离所述第一掺杂区的一侧以及所述第四掺杂区导通的集电极电极。
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；
所述第二掺杂区远离所述第一掺杂区一侧的掺杂浓度高于靠近所述第一掺杂区一侧的掺杂浓度。
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.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，
当所述横向绝缘栅双极型晶体管导通时，所述第二栅结构处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，所述第二栅结构处的电压比所述集电极电极的电压高。
6.一种横向绝缘栅双极型晶体管制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上制备埋氧层并在所述埋氧层上制备漂移区；
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以及在第二掺杂区内形成第四掺杂区，其中，所述漂移区、所述第三掺杂区以及所述第四掺杂区的掺杂类型均为第一掺杂类型；所述第一掺杂区和所述第二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；在所述第二掺杂区靠近所述第一掺杂区的一侧的上方形成第二栅结构；在所述第二掺杂区远离所述第一掺杂区的一侧以及所述第四掺杂区上形成集电极电极。
7.一种智能功率模块，其特征在于，包括如权利要求1～5任一所述的横向绝缘栅双极型晶体管。
8.如权利要求7所述智能功率模块，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LIGBT的开启和关断；
与电压源连接自举电路模块，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。
9.一种驱动电路，其特征在于，包括如权利要求1～5任一所述的横向绝缘栅双极型晶体管。
10.一种电器，其特征在于，包括如权利要求1～5任一所述的横向绝缘栅双极型晶体管。
CN202110797830.1A 2021-07-14 2021-07-14 Ligbt、制备方法、智能功率模块、驱动电路及电器 Pending CN113690310A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110797830.1A CN113690310A (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
CN202110797830.1A CN113690310A (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 (1)

Publication Number Publication Date
CN113690310A true CN113690310A (zh) 2021-11-23

Family

ID=78577130

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110797830.1A Pending CN113690310A (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) CN113690310A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024027574A1 (zh) * 2022-08-03 2024-02-08 无锡华润上华科技有限公司 阳极短路横向绝缘栅双极晶体管模型及其建模方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1231066A (zh) * 1996-07-26 1999-10-06 艾利森电话股份有限公司 具有线性电流电压特性的半导体元件
US5977569A (en) * 1996-09-24 1999-11-02 Allen-Bradley Company, Llc Bidirectional lateral insulated gate bipolar transistor having increased voltage blocking capability
JP2007324361A (ja) * 2006-05-31 2007-12-13 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体装置及びその製造方法
US20080012043A1 (en) * 2006-07-14 2008-01-17 Cambridge Semiconductor Limited Semiconductor device and method of operating a semiconductor device
CN105409004A (zh) * 2013-07-02 2016-03-16 剑桥微电子有限公司 横向功率半导体晶体管
CN112768517A (zh) * 2019-11-04 2021-05-07 东南大学 绝缘栅双极型晶体管
CN213184297U (zh) * 2020-09-22 2021-05-11 厦门芯一代集成电路有限公司 一种具有超结结构的平面型***栅igbt半导体功率器件

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1231066A (zh) * 1996-07-26 1999-10-06 艾利森电话股份有限公司 具有线性电流电压特性的半导体元件
US5977569A (en) * 1996-09-24 1999-11-02 Allen-Bradley Company, Llc Bidirectional lateral insulated gate bipolar transistor having increased voltage blocking capability
JP2007324361A (ja) * 2006-05-31 2007-12-13 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体装置及びその製造方法
US20080012043A1 (en) * 2006-07-14 2008-01-17 Cambridge Semiconductor Limited Semiconductor device and method of operating a semiconductor device
CN105409004A (zh) * 2013-07-02 2016-03-16 剑桥微电子有限公司 横向功率半导体晶体管
CN112768517A (zh) * 2019-11-04 2021-05-07 东南大学 绝缘栅双极型晶体管
CN213184297U (zh) * 2020-09-22 2021-05-11 厦门芯一代集成电路有限公司 一种具有超结结构的平面型***栅igbt半导体功率器件

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
黄琳华: "IGBT阳极端电势控制技术与新结构研究" *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024027574A1 (zh) * 2022-08-03 2024-02-08 无锡华润上华科技有限公司 阳极短路横向绝缘栅双极晶体管模型及其建模方法

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
TWI383497B (zh) 具有雙閘極之絕緣閘雙極性電晶體
US7999343B2 (en) Semiconductor component with a space-saving edge termination, and method for production of such component
US9082648B2 (en) Vertical insulated-gate turn-off device having a planar gate
CN108258039B (zh) 电导率调制漏极延伸mosfet
CN114122123B (zh) 集成高速续流二极管的碳化硅分离栅mosfet及制备方法
JPH09321290A (ja) 絶縁ゲートバイポーラトランジスタを備えた半導体装置
CN114664929B (zh) 一种集成异质结二极管的分离栅SiC MOSFET及其制作方法
CN109585540B (zh) 一种具有载流子存储层的平面栅igbt器件
CN114784108A (zh) 一种集成结势垒肖特基二极管的平面栅SiC MOSFET及其制作方法
CN110473917B (zh) 一种横向igbt及其制作方法
CN103258848B (zh) 一种具有正温度系数发射极镇流电阻的igbt器件
CN113690309B (zh) Ligbt、制备方法、智能功率模块、驱动电路及电器
CN113690310A (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
CN102157550B (zh) 一种具有p埋层的纵向沟道SOI LIGBT器件单元
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
US20150349102A1 (en) Ti-igbt and formation method thereof
CN111668212B (zh) 半导体装置
CN112018172A (zh) 绝缘栅双极型晶体管、智能功率器件及电子产品
CN202018966U (zh) 具有p埋层的纵向沟道SOI LIGBT器件单元
CN112310205B (zh) 绝缘栅双极型晶体管及其制作方法
CN103489909B (zh) 具有空穴复合层的igbt终端结构及其制备方法
CN114784109B (zh) 一种平面栅SiC MOSFET及其制作方法

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