CN114883395B - 一种具有部分p型漂移区的igbt - Google Patents

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Abstract

本发明属于功率半导体技术领域，特别涉及一种具有部分P型漂移区的IGBT。本发明将IGBT的耐压层设置为由N型漂移区(4)和P型漂移区(5)通过上下堆叠的形式，形成具有部分P型的漂移区，从而使器件内部形成了一个肖克来(Shockley)二极管结构，此肖克来二极管由一个PNP晶体管(发射极：P+集电极，基极：N型场截止层，集电极：P型漂移区和一个NPN晶体管(发射极：N型载流子存储层，基极：P型漂移区，集电极：N型漂移区构成，从而实现了更好的导通压降与关断损耗的折中关系。

Description

一种具有部分P型漂移区的IGBT
技术领域
本发明属于功率半导体技术领域，特别涉及一种具有部分P型漂移区的IGBT(Insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)结构。
背景技术
IGBT是一种重要的功率器件，被广泛使用。其追求更优的导通压降与关断损耗的折衷关系。传统优化IGBT导通压降与关断损耗的方法主要改变栅极、阴极结构来增强阴极侧载流子存储、改变阳极结构来减少阳极侧载流子积累，以及改变耐压层结构来加速漂移区内载流子的抽取。对耐压层的改变主要是在漂移区内引入交替的PN条形成超结结构来实现。但是超结结构对N/P条电荷要求高，设计制造难度高。
发明内容
本发明的目的，就是为了优化IGBT的导通压降与关断损耗，提出一种具有部分P型漂移区的IGBT。
本发明的技术方案：一种具有具有部分P型漂移区的IGBT，其元胞包括集电极结构、耐压层结构、发射极结构和栅极结构，其中耐压层结构位于集电极结构之上，发射极结构和栅极结构位于耐压层结构之上：
所述集电极结构包括集电极金属1、P+集电极区2和N型场截止层3；所述集电极金属1的下表面引出端为器件的集电极C；所述P+集电极区2位于集电极金属1的上表面；所述N型场截止层3位于P+集电极区2的上表面；
所述发射极结构包括P型阱区7、N型发射极区9、P型体接触区8以及发射极金属10；所述P型阱区7位于耐压层结构上表面；所述N型发射极区9和P型体接触区8位于P型阱区7上表面；所述发射极金属10的下表面同时与N型发射极区9和P型体接触区8的上表面接触，其上表面的引出端为器件的发射极E；
所述栅极结构为沟槽栅结构，包括绝缘介质12和导电材料11；所述导电材料11位于绝缘介质12内，引出端为器件的栅极G；所述绝缘介质12从器件表面垂直穿过P型阱区7与耐压层结构接触，绝缘介质12的侧面与P型阱区7和N型发射极区9接触；
所述耐压层结构包括N型漂移区4和P型漂移区5，两者呈现上下堆叠的形式；所述N型漂移区4的下表面与N型场截止层3的上表面接触，上表面与P型漂移区5的下表面接触；所述P型漂移区5的上表面同时与绝缘介质12以及的P型阱区7的下表面接触。
本发明的有益效果为，本发明的一种具有部分P型漂移区的IGBT实现了更好的导通压降与关断损耗的折中关系。
附图说明
图1是本发明的IGBT结构；
图2是本发明的IGBT关断时的等效电路；
图3是本发明的IGBT关断时的等效电路与结构对应图；
图4是本发明的IGBT导通时的等效电路；
图5是本发明的IGBT导通时的等效电路与结构对应图；
图6是常规IGBT结构；
图7是常规IGBT等效电路；
图8是常规IGBT等效电路与结构对应图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述
如图1所示，为本发明的一种具有部分P型漂移区的IGBT结构，其导通和关断时的等效电路分别如图2和图4所示。图3和图5分别是图2和图4中的等效电路在器件结构中的映射。图6和图7分别为常规IGBT结构和等效电路图。可以看出，本发明器件在导通和关断时的等效电路是不相同的，这和栅极沟道是否开启存在关系。开启时，NP叠型漂移区使器件内部形成了一个肖克来(Shockley)二极管结构。此肖克来二极管由一个PNP晶体管(发射极：P+集电极2，基极：N型场截止层3，集电极：P型漂移区5)和一个NPN晶体管(发射极：N型载流子存储层，基极：P型漂移区5，集电极：N型漂移区4)构成。
本发明器件工作原理如下：
耐压时：器件栅极关断，发射极接地和集电极接正电位。此时器件等效电路如图2所示，器件耐压由PNP晶体管(发射极：P+集电极2，基极：N型场截止层3/N型漂移区4，集电极：P型漂移区5/P型阱区7/P+短路区8)承担。耐压时电场峰值在N型漂移区4/P型漂移区5这个结上，电场峰值远离栅极区，这有利于提高器件的耐压。
正向导通时：器件栅极开启，发射极接地和集电极接正电位。栅极电压在P型漂移区5以及P型阱区7靠近栅极区的表面形成电子反型层，从而形成电子沟道。此电子反型层与P型漂移区5和N型漂移区4形成了一个寄生的NPN晶体管。随着阳极电压的增加，P+阳极2注入P型漂移区5的空穴逐渐使NPN晶体管(发射极：电子反型层，基极：P型漂移区5，集电极：N型漂移区4/N型电场截止层3)开启，开启后的NPN晶体管注入到电子到N型漂移区4中，使PNP晶体管(发射极：P+集电极2，基极：N型场截止层3，集电极：P型漂移区5)开启。最终肖克来二极管进入PNPN晶闸管导通模式。N型漂移区4以及P型漂移区5都存在电导调制效应，器件导通压降低。
关断时：器件栅极关断，发射极接地和集电极接正电位。此时栅极沟道从开启到关断，电子反型层消失，寄生的NPN晶体管(发射极：电子反型层，基极：P型漂移区5，集电极：N型漂移区4/N型电场截止层3)的发射极消失，肖克来二极管逐渐从PNPN晶闸管导通模式退出，进入PNP晶体管(发射极：P+集电极2，基极：N型场截止层3，集电极：P型漂移区5)耐压状态。由于耐压的N型漂移区4和P型漂移区5这个结位于漂移区内部，器件要耐压的话，电场需在此处建立。由于漂移区内有大量空穴载流子，需要将此PN结附近的浓度降低才能使电场在此PN结建立，因此的话，位于P型漂移区内的空穴在PN结处电场建立前已通过发射极排出，而位于N型漂移区的空穴也降低了。从而在电场建立的时候，P型漂移区内以及N型漂移区内的载流子已急剧降低，并且耗尽区是往两个方向进行耗尽，因此的话，器件内电场建立速度更快，电压上升时间降低，从而器件关断损耗将降低。

Claims (1)

1.一种具有部分P型漂移区的IGBT，其元胞包括集电极结构、耐压层结构、发射极结构和栅极结构，其中耐压层结构位于集电极结构之上，发射极结构和栅极结构位于耐压层结构之上；
所述集电极结构包括集电极金属(1)、P+集电极区(2)和N型场截止层(3)；所述集电极金属(1)的下表面引出端为器件的集电极(C)；所述P+集电极区(2)位于集电极金属(1)的上表面；所述N型场截止层(3)位于P+集电极区(2)的上表面；
所述发射极结构包括P型阱区(7)、N型发射极区(9)、P型体接触区(8)以及发射极金属(10)；所述P型阱区(7)位于耐压层结构上表面；所述N型发射极区(9)和P型体接触区(8)位于P型阱区(7)上表面；所述发射极金属(10)的下表面同时与N型发射极区(9)和P型体接触区(8)的上表面接触，其上表面的引出端为器件的发射极(E)；
所述栅极结构为沟槽栅结构，包括绝缘介质(12)和导电材料(11)；所述导电材料(11)位于绝缘介质(12)内，引出端为器件的栅极(G)；所述绝缘介质(12)从器件表面垂直穿过P型阱区(7)与耐压层结构接触，绝缘介质(12)的侧面与P型阱区(7)和N型发射极区(9)接触；
其特征在于，所述耐压层结构包括N型漂移区(4)和P型漂移区(5)，两者呈现上下堆叠的形式；所述N型漂移区(4)的下表面与N型场截止层(3)的上表面接触，上表面与P型漂移区(5)的下表面接触；所述P型漂移区(5)的上表面同时与绝缘介质(12)以及P型阱区(7)的下表面接触。
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