[发明专利]一种MOS场控晶闸管

说明书

技术领域

本发明属于功率半导体器件技术领域，涉及MOS场控晶闸管(MOS Controlled Thyristor，简称：MCT)。

背景技术

高压功率半导体器件是功率电子的重要组成部分，在诸如动力系统中的电机驱动，消费电子中变频等领域具有广泛的应用。在应用中，高压功率半导体器件需要具有低导通功耗，大导通电流，高电压阻断能力，栅驱动简单，低开关损耗等特性。绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称：IGBT)由于其在中高压电力电子领域中展现出优越的性能而得到广泛的应用。但是，IGBT应用于高压大功率领域时，若要获得更高的电流密度，导通压降会迅速增大。作为新型高压功率器件的另一种选择，MOS场控晶闸管(MOSControlled Thyristor，简称：MCT)由于其具有栅极驱动简单，高电压阻断能力和较低的导通压降等优越特性而在高压及超高压电力电子领域的应用备受瞩目。然而，由于工作原理与IGBT截然不同，MCT在拥有比IGBT更高的电流密度及更低的导通压降的同时，也需要比IGBT更长的关断时间。其主要原因是MCT在正向导通时为晶闸管特性，这将导致在关断时MCT的漂移区储存的少数载流子总量高于IGBT，造成关断困难。关断时间长必将导致关断损耗大，安全工作区变小。因而关断时间是影响MCT应用范围的一个关键因素。

D.J.Coe等在专利US Patent 4,754,310，陈星弼等在专利US Patent 5,216,275中分别提出了应用于横向器件与纵向器件中Super Junction超结技术。该技术可在保持耐压不变的情况下有效降低VDMOS导通电阻，甚至可以突破硅材料VDMOS导通电阻与反向阻断电压关系(R_on∝BV^2.5)的极限，使VDMOS应用于更高的电压条件下。基于该技术的CoolMOS一经商业化便受到了广泛的关注和应用。对于双极型载流子器件，Super Junction超结理论同样适用。

发明内容

本发明针对现有MOS场控晶闸管存在的关断时间长、关断损耗大的技术问题，提供一种可快速关断的、具有额外少数载流子抽取通道的MOS场控晶闸管(可称为ECP-MCT)。该MOS场控晶闸管将P型体区向下延伸、延伸区插入N-型漂移区，以增大P型体区与N-漂移区的接触面积，增加少数载流子的抽取通道，进而加快少数载流子的抽取速度，缩短关断时间，减小关断损耗。当P型延展区与N-型漂移区恰好达到电荷平衡时，电荷平衡的P型延展区与N-型漂移区恰好形成超结结构(SuperJunction)，这种情况下的MOS场控晶闸管能进一步优化反向耐压特性，降低器件的导通压降。

本发明的技术方案如下：

一种MOS场控晶闸管，如图1所示，包括阳极结构、漂移区结构、阴极结构和栅极结构；所述漂移区结构包括N-型漂移区4和P型延伸区5；所述P型延伸区5由阴极结构中的P型体区3向下延伸入N-型漂移区4形成，但P型延伸区5不与阳极结构中的P+区7接触。

本发明提供的MOS场控晶闸管，其特点是对漂移区结构进行改进，即将图3所示的常规MCT的P型体区3向下延伸，P型延伸区5插入N-漂移区4。P型延伸区5不贯穿整个漂移区，它与P+阳极区7之间仍有部分N-漂移区(可视为图3中的缓冲区6)相隔，缓冲区的厚度为L。根据器件要求不同，缓冲层的浓度可与N-漂移区4的掺杂浓度相同，也可另行掺杂。作为缓冲区层6的N-型漂移区4若直接与阳极结构中的P+阳极区7相接触，则整个漂移区结构为NPT型漂移区；若作为缓冲区层6的N-型漂移区4中还具有与阳极结构中的P+阳极区7相接触的N+缓冲层，则整个漂移区结构为PT型或FS型漂移区。

本发明提供的MOS场控晶闸管，其漂移区结构可与现有各种半导体功率器件的阳极结构、各种现有MOS场控晶闸管阴极和栅极结构相结合，组合出具有本发明所述漂移区结构的MOS场控晶闸管。

进一步地，本发明提供的MOS场控晶闸管的漂移区结构中，P型延伸区5与两侧的N-型漂移区4形成超结结构。如图2所示，P型延伸区5与两侧的N-型漂移区4形成NPN相间的结构，即超结结构；其中两侧的N-型漂移区4为两条相对于P型延伸区5对称且宽度相等(Wn)的N-型掺杂柱12，而P型延伸区5为宽度Wp的P型掺杂柱。

本发明提供的MOS场控晶闸管，其工作原理如下：