CN205428937U - 非穿通型igbt - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种非穿通型IGBT，通过设置具有相同导电类型的第一漂移区和第二漂移区，且第一漂移区的掺杂浓度大于第二漂移区的掺杂浓度，保证当承受相同高压时，耗尽层宽度比现有的耗尽层宽度要窄，第一漂移区和第二漂移区的总厚度比现有的漂移区厚度要小，从而能够明显地降低导通压降；同时，在一般工作条件下IGBT关断时，第一漂移区和第二漂移区未被耗尽区域的总厚度要比现有的漂移区未被耗尽区域的厚度小，因此，存储于该区域内需要通过复合慢慢消失的过剩载流子比现有的要少，这样能减小电流的拖尾，减小IGBT的关断损耗。
Description
技术领域
本实用新型属于基本电气元件领域，涉及半导体器件，特别涉及一种非穿通型IGBT。
背景技术
非穿通型IGBT（NPT-IGBT）由于鲁棒性高，关断软度好等特点，在一些高频、高可靠性领域有着广泛的应用。如图1为现有技术中一种典型的NPT-IGBT结构示意图。其中107为低浓度N型掺杂的漂移层，106为p型掺杂阱区，105为N型掺杂源区，102、104为介质层，103为门级电极，101为发射极电极，108为浅P型掺杂集电区，109为集电极。
如图2为图1中的NPT-IGBT在承受高耐压时器件内电场分布示意图，图中电场线与横坐标围成的面积为器件的耐压值。N-漂移层107的厚度不能小于耗尽层的宽度W和少子扩散长度Lp之和，其中，电场覆盖的区域载流子被耗尽，称为耗尽层，少子扩散长度Lp为从背面108注入到107的空穴与107区内的电子复合消失前在107内扩散的平均深度。Lp随着107的掺杂浓度升高而减小。
如上所述，NPT-IGBT的漂移区厚度必须为耗尽层的宽度和少子扩散长度之和，往往比较厚，导致器件的导通压降比较高。而且，由于IGBT一般在远远低于击穿电压的条件下工作，IGBT关断时，耗尽层的宽度远远小于如图2所示的承受高耐压时的W值。因此，IGBT从导通进入关断过程中，在背面远大于Lp厚度范围内的过剩载流子无法被耗尽层的强电场扫出去漂移区，只能通过复合慢慢消失，导致电流的拖尾时间很长，尽管适当的电流拖尾能够保证IGBT关断的软度，但过长的拖尾往往引起非常大的关断损耗。因此，NPT-IGBT的性能参数提升受到很大的限制。
实用新型内容
本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种非穿通型IGBT，该IGBT能够减小漂移区的总厚度、降低导通压降和减小器件的关断损耗。
为了实现本实用新型的上述目的，本实用新型提供了一种非穿通型IGBT，包括：第一漂移区；形成在所述第一漂移区正面的第二漂移区，所述第二漂移区的导电类型与所述第一漂移区的导电类型相同，所述第一漂移区的掺杂浓度大于所述第二漂移区的掺杂浓度；形成在所述第二漂移区内的阱区以及形成在所述阱区内的源区，所述阱区的导电类型与所述第二漂移区的导电类型相反，所述源区的导电类型与所述阱区的导电类型相反；依次形成在所述第二漂移区之上的第一介质层、门极电极、第二介质层和发射极电极;形成在所述第一漂移区背面的集电区和集电极。
本实用新型通过设置具有相同导电类型的第一漂移区和第二漂移区，且第一漂移区的掺杂浓度大于第二漂移区的掺杂浓度，保证当承受相同高压时，本实用新型的耗尽层宽度比现有的耗尽层宽度要窄，第一漂移区和第二漂移区的总厚度比现有的漂移区厚度要小，从而能够明显地降低导通压降；同时，在一般工作条件下IGBT关断时，第一漂移区和第二漂移区未被耗尽区域的总厚度要比现有的漂移区未被耗尽区域的厚度小，因此，存储于该区域内需要通过复合慢慢消失的过剩载流子比现有的要少，这样能减小电流的拖尾，减小IGBT的关断损耗。
优选地，所述第一漂移区的掺杂浓度为1e14/cm3-1e15/cm3，所述第二漂移区的掺杂浓度为1e13/cm3-1e14/cm3。
优选地，所述第一漂移区的掺杂浓度为4.27e13/cm3，所述第二漂移区的掺杂浓度为1.74e14/cm3。
优选地，所述第一漂移区与第二漂移区的厚度之比为1:3-3:1。
优选地，所述第一漂移区与第二漂移区的厚度之比为1:1。
优选地，所述第一漂移区与第二漂移区的厚度之和为150um。
优选地，所述第一漂移区的导电类型为N型。
本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是现有的N型非穿通型IGBT的剖面示意图；
图2是图1中的N型非穿通型IGBT的承受高压时IGBT内的电场分布示意图；
图3是本实用新型的一个实施例中N型非穿通型IGBT的剖面示意图；
图4是现有的非穿通型IGBT和本实用新型实施例的非穿通型IGBT承受高压时器件内电场的分布示意图；
图5是现有的非穿通型IGBT和本实用新型实施例的非穿通型IGBT在一般工作电压下器件内电场的分布示意图。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“正”、“背”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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的具体含义。
需要说明的是，本实用新型以下各实施例均以N型非穿通型IGBT为例进行说明，对于P型非穿通型IGBT，可以参照本实用新型实施例，相应改变掺杂类型即可，在此不再赘述。
图3是本实用新型一个实施例中N型非穿通型IGBT的剖面示意图，图中仅仅是示意的给出了各区域的尺寸，具体的尺寸可以根据器件参数的要求进行设计。
从图中可见，本实施例中N型非穿通型IGBT包括：第一漂移区308，在本实施例中，第一漂移区308包括但不限于基本半导体，例如硅、锗、金刚石，或化合物半导体，例如碳化硅、砷化镓、砷化铟或者磷化铟，第一漂移区308的掺杂浓度为1e14/cm3-1e15/cm3；
在第一漂移区308的正面形成有第二漂移区307，第一漂移区的导电类型与第二漂移区的导电类型相同均为N型，第一漂移区308的掺杂浓度大于第二漂移区307的掺杂浓度，第二漂移区的掺杂浓度为1e13/cm3-1e14/cm3。
在第二漂移区307内形成有P型阱区306，以及在P型阱区306内形成有源区305，源区305为N型重掺杂。阱区306和源区305均有两个，对称地分布在第二漂移区307的两侧靠近上表面的区域。
依次形成在第二漂移区307之上的第一介质层304、门极电极303、第二介质层302和发射极电极301;以及
形成在第一漂移区308背面的集电区309和集电极310，集电区309为P型重掺杂。
根据本实用新型的实施例，通过设置具有相同导电类型的第一漂移区308和第二漂移区307，且第一漂移区308的掺杂浓度大于第二漂移区307的掺杂浓度，能够保证当承受相同高压时，本实用新型实施例的耗尽层宽度比现有的耗尽层宽度要窄，第一漂移区308和第二漂移区307的总厚度比现有的漂移区107厚度要小，从而能够明显地降低导通压降；同时，在一般工作条件下IGBT关断时，第一漂移区308和第二漂移区307未被耗尽区域的总厚度要比现有的漂移区未被耗尽区域的厚度小，因此，存储于该区域内需要通过复合慢慢消失的过剩载流子比现有的要少，这样能减小电流的拖尾，减小IGBT的关断损耗。
作为本实用新型的一优选实施方式，第一漂移区308的浓度明显高于第二漂移区307的浓度，优选地，第一漂移区308的浓度明是第二漂移区307的浓度的4倍；同时，第一漂移区308的厚度为25um-150um，第二漂移区307区的厚度为25um-150um,第一漂移区308与第二漂移区307的厚度之比为1:3-3:1。
作为本实用新型的另一优选实施方式，当第一漂移区308的掺杂浓度为4.27e13/cm3，第二漂移区307的N型掺杂浓度为1.74e14/cm3，两者厚度的比列为1：1，总厚度为150um时，本实用新型实施例的非穿通型IGBT能显著减小导通压降和关断损耗。
图4为当承受相同的高压时，现有的非穿通型IGBT和本实用新型实施例的非穿通型IGBT内电场的分布示意图。由于在N-漂移区，电场的下降速度随着掺杂浓度的升高和加快，因此本实用新型实施例的非穿通型IGBT的第二漂移区307电场的下降速度比现有的非穿通型IGBT的漂移区107小，而在第一漂移区308电场下降速度比现有的非穿通型IGBT的漂移区107大。
从图中可以看出，为了保证相同的耐压值水平，具有本实用新型实施例结构的非穿通型IGBT的耗尽层宽度W2比现有的非穿通型IGBT的耗尽层宽度W1要窄，而且由于第一漂移区308浓度较高，其少子扩散长度Lp比现有的漂移区107内少子扩散长度也要小，所以，第一漂移区308与第二漂移区307的厚度总和要比现有的漂移区107的厚度小。
图5为一般工作条件下,现有的非穿通型IGBT和本实用新型实施例的非穿通型IGBT内电场的分布示意图。在一般工作条件下，母线电压远远小于器件的耐压。显然，具有本实用新型实施例结构的非穿通型IGBT，其第一漂移区308内未被电场耗尽的区域厚度Wb2要比现有的非穿通型IGBT的漂移区107内未被电场耗尽区域的厚度Wb1小。
本实用新型还提供了一种非穿通型IGBT的制造方法，在本实用新型的一实施例中，非穿通型IGBT的工艺步骤如下：
S11：提供具有低掺杂浓度N-衬底（也即第一漂移区308），N-衬底的材料可以是制备IGBT的任何半导体材料，具体可以是但不限于硅、锗、砷化镓。
S12：在N-衬底的正面形成第二漂移区307，第二漂移区307为N型轻掺杂。第二漂移区307的形成方法可以是外延生长方法或键合的方法，在本实施方式中优选地采用键合的方法。本实用新型所指正面是指N-衬底的上表面，背面是指N-衬底的下表面。
S13：在第二漂移区307内，靠近第二漂移区307上表面的位置上形成P型阱区306；形成P型阱区306的方法具体为，在第二漂移区307上通过光罩定义P型阱区306，并通过离子注入或固态源扩散方法形成P型阱区306。
S14：在P型阱区306内形成源区305，源区305为N型重掺杂。
S15：第二漂移区307之上依次形成第一介质层304、门极电极303、第二介质层302和发射极电极301。
S16：减薄N-衬底，在N-衬底的背面形成集电区309和集电极310。形成集电极310的方法优选为：蒸镀。减薄的方法可以是任何基片减薄技术，具体可以是但不限于研磨、化学机械抛光、干法刻蚀、电化学腐蚀或湿法腐蚀方法，优选采用研磨方法。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种非穿通型IGBT，其特征在于，包括：
第一漂移区,第一漂移区的厚度为46um-150um；
形成在所述第一漂移区正面的第二漂移区，所述第二漂移区的导电类型与所述第一漂移区的导电类型相同，所述第一漂移区的掺杂浓度大于所述第二漂移区的掺杂浓度,第二漂移区的厚度为46um-150um；
形成在所述第二漂移区内的阱区以及形成在所述阱区内的源区，所述阱区的导电类型与所述第二漂移区的导电类型相反，所述源区的导电类型与所述阱区的导电类型相反；
依次形成在所述第二漂移区之上的第一介质层、门极电极、第二介质层和发射极电极;
形成在所述第一漂移区背面的集电区和集电极。
2.如权利要求1所述的非穿通型IGBT，其特征在于，所述第一漂移区的掺杂浓度为1e14/cm3-1e15/cm3，所述第二漂移区的掺杂浓度为1e13/cm3-1e14/cm3。
3.如权利要求2所述的非穿通型IGBT，其特征在于，所述第一漂移区的掺杂浓度为4.27e13/cm3，所述第二漂移区的掺杂浓度为1.74e14/cm3。
4.如权利要求1所述的非穿通型IGBT，其特征在于，所述第一漂移区与第二漂移区的厚度之比为1:3-3:1。
5.如权利要求4所述的非穿通型IGBT，其特征在于，所述第一漂移区与第二漂移区的厚度之比为1:1。
6.如权利要求5所述的非穿通型IGBT，其特征在于，所述第一漂移区与第二漂移区的厚度之和为150um。
7.如权利要求1-6任一项所述的非穿通型IGBT，其特征在于，所述第一漂移区的导电类型为N型。
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2015
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