[实用新型]高低结多子电导调制功率MOSFET器件

说明书

技术领域

本专利属于半导体功率开关器件领域，尤其与具有电导调制效应的中、高压功率MOSFET器件有关。 

背景技术

功率MOSFET和IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)是当前应用最广泛的两类电压控制型(也称电压驱动型)功率开关器件，它们用高输入阻抗的MOS栅控制大电流的流动，它们的发明被认为是功率开关器件(也称为电力电子器件)领域的重大革命。 

在这两类功率开关器件中，导通电阻(它决定导通损耗)、耐压、开关速度(开关频率)是最重要的三个关键电参数。在低压(耐压约100伏以下)功率器件中，导通电阻主要由沟道电阻决定；在中压(耐压约100～1000伏)，尤其是高压(耐压超过1000伏)功率器件中，导通电阻主要由掺杂浓度极低且厚度很厚的高阻漂移区的电阻决定。 

因此，为了降低中、高压功率MOSFET和IGBT器件的器件导通电阻，重点是在不明显降低耐压和速度的前提下，设法尽力提高漂移区的电导率(降低高阻漂移区的电阻)。电导率由载流子密度和载流子迁移率决定，改变迁移率很困难，而提高载流子密度容易得多。 

在功率开关器件领域，利用各种‘电导调制效应’提高漂移区的电导率，一直是降低高阻漂移区电阻的主要手段。‘电导调制’(conductivity-modulation)被定义为‘由于改变带电载流子密度而引起的半导体电导率(电阻率)的变化’。 

功率MOSFET和IGBT这两类主要的电压控制型功率开关器件各有优缺点。 

IGBT器件，由于引入了少子电导调制效应，大大降低了器件的导通电阻，但也因此在器件关断时，由于注入的过剩少子的去除需要时间而引起电流拖尾，降低了开关速度。另外，其P⁺/N^-结引入了附加的开态正向压降，且漏-源电压必须超过大约0.7V器件才能导通工作。 

与IGBT相反，功率MOSFET是单极型多子器件，它不存在高阻漂移区的电导调制效应，因而其导通电阻比IGBT的导通电阻大得多，但是，由于没有少子存储效应，使其开关速度比IGBT快得多。另外，它在导通态下的电流通道上没有任何P/N结，不存在IGBT那样附加的开态正向压降，且只要漏极开始施加正电压，器件立即进入导通工作状态。 

在现有技术中，常规IGBT器件由于具有单边少子电导调制效应，较大地降低了高阻漂移区的导通电阻，使之占据了中、高压领域的应用市场；CSTBT(Carrier StoredTrenchBipolar Transistor，载流子存储沟槽栅双极晶体管)、IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor，注入增强栅晶体管)等某些IGBT的改进型器件，由于具有双边少子电导调制效应，更大地降低了高阻漂移区的导通电阻，使之有望占据数千伏高压领域的应用市场。 

人们也希望利用功率MOSFET开关速度快(开关频率高)的优点，极力改进功率MOSFET的中、高压器件特性。利用电荷平衡概念的超结(superjunction)结构制造的CoolMOS是改进功率MOSFET中、高压器件特性的成功例子。但是，对于中、高压器件所需超结结构的厚 外延层之P^-/N^-栏的电荷平衡度的要求极高，且其制造工艺繁杂而昂贵。 

本专利是利用高低结多子电导调制效应，降低中、高压功率MOSFET的导通电阻，从而推进功率MOSFET向中、高压领域扩展。 

常规IGBT的器件结构(图2B)是将常规功率MOSFET器件结构(图2A)中的N⁺衬底换成P⁺衬底。其电导调制效应的工作原理如下。在开态偏置电压下，当集电极施加超过大于0.7伏更多的正电压时，有大量的空穴从P⁺集电极16向N^-漂移区3注入，引起N-漂移区中靠近集电极一侧区域电导率的增大，产生该区域的电导调制效应。但是，对于具有很厚漂移层的高击穿电压IGBT器件而言，在靠近发射区一侧的空穴密度已经很低，如图2B所示(例如，参看美国专利US6768168中图30)。这些靠近发射区的少量剩余空穴由寄生PNP管的集电极2收集并从发射极电极E流出。于是，在N^-漂移区中呈现图2B所示的载流子密度分布。也就是说，在靠近发射极一侧只存在空间电荷区而不存在电导调制效应，因此，常规IGBT是(少子)单边电导调制器件。