[发明专利]一种逆阻型IGBT及其制造方法在审

专利信息
申请号: 201710998712.0 申请日: 2017-10-20
公开(公告)号: CN107799588A 公开(公告)日: 2018-03-13
发明(设计)人: 张金平;赵倩;刘竞秀;李泽宏;任敏;张波 申请(专利权)人: 电子科技大学
主分类号: H01L29/739 分类号: H01L29/739;H01L21/331;H01L29/06
代理公司: 成都点睛专利代理事务所(普通合伙)51232 代理人: 葛启函
地址: 611731 四川省成*** 国省代码: 四川;51
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摘要:
搜索关键词: 一种 逆阻型 igbt 及其 制造 方法
【说明书】:

技术领域

发明属于半导体功率器件技术领域,特别涉及一种绝缘栅双极型晶体管(IGBT),具体涉及一种逆阻型IGBT及其制造方法。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为现代电力电子电路中的核心电子元器件之一,被广泛应用于交通、通信、家用电器及航空航天等各个领域。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种绝缘型场效应管(MOSFET)和双极结型晶体管(BJT)复合而成的新型电力电子器件,可等效为双极结型晶体管驱动的MOSFET。IGBT混合了MOSFET结构和双极结型晶体管的工作机理,既具有MOSFET易于驱动、输入阻抗低、开关速度快的优点,又具有BJT通态电流密度大、导通压降低、损耗小、稳定性好的优点,因而,IGBT的运用改善了电力电子系统的性能。从IGBT发明以来,人们一直致力于改善IGBT的性能,经过二十几年的发展,相继提出了七代IGBT器件结构来不断提升器件的性能。最初的NPT型IGBT结构也称为对称型IGBT结构,正向阻断和反向阻断状态均主要由轻掺杂的N型漂移区耐压,因此具有相等的正向击穿电压和反向击穿电压,但是为了保证耐压需要N型漂移区掺杂浓度低且厚度大,这会导致正向导通电压的增大,开关特性变差,同时正向导通电压和关断损耗之间的折中特性恶化。后来,IGBT发展出了带FS层的结构,N型FS层的掺杂浓度高于N型漂移区的掺杂浓度,同等耐压能力下FS-IGBT结构具有更薄的漂移区的厚度,漂移区发生穿通后FS层可承受部分阻断电压,从而减小了器件的导通压降,提高器件的开关速度;但是FS-IGBT结构在反向耐压时反向电压主要由P型集电区和N型FS层形成的PN结来承受,反向击穿电压低,在反向阻断应用时器件的性能下降,在需要IGBT具有逆阻能力的应用场合,不得不串联一个高压二极管实现反向耐压,这增加了成本,降低了系统的性能和可靠性。第七代IGBT结构——沟槽栅电荷存储型绝缘栅双极型晶体管(CSTBT)是通过在P型基区下方引入具有较高掺杂浓度和一定厚度的N型电荷存储层来在P型基区下方引入空穴势垒,使得器件靠近发射极端的空穴浓度大大提升,而根据电中性要求将大大增加此处电子浓度,以此改善整个N-漂移区的载流子浓度分布,增强N-漂移区的电导调制效应,使IGBT获得了更低的正向导通压降以及更优的正向导通压降与关断损耗的折中关系。随着N型电荷存储层掺杂浓度越高,CSTBT电导调制效应改善越大,器件的正向导通特性也就越好。如图1所示的传统结构结合了CS层和FS层结构,兼具二者的优点,然而,一方面FS层的存在会降低器件的反向击穿电压,另一方面随着N型电荷存储层掺杂浓度的不断提高,会造成CSTBT器件击穿电压显著降低。如图1所示的传统CSTBT器件结构中,为了有效屏蔽N型电荷存储层的不利影响,获得更高的器件耐压,主要采用如下两种方式:

(1).深的沟槽栅深度,通常使沟槽栅的深度大于N型电荷存储层的结深;

(2).小的元胞宽度,即提高MOS结构沟道密度使沟槽栅间距尽可能小;

方式(1)实施的同时会增加栅极-发射极电容和栅极-集电极电容,而IGBT的开关过程本质上就是对栅极电容进行充/放电的过程,故此,栅极电容的增加会使得充/放电时间增长,进而造成开关速度降低。因而,深的沟槽栅深度将会降低器件开关速度、增大器件开关损耗,影响到器件导通压降和开关损耗的折中特性;而方式(2)的实施一方面将增大器件的栅极电容,导致器件开关速度降低、开关损耗增大,影响器件导通压降与开关损耗的折中特性,另一方面大的沟道密度还将增加器件的饱和电流密度,使器件短路安全工作区变差。此外,CSTBT仍存在FS-IGBT结构反向阻断能力差的缺陷,难以直接应用于需要IGBT具有逆阻能力的应用场合。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于:提供一种综合性能优异的逆阻型IGBT及其制造方法。

为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:

技术方案一:

一种逆阻型IGBT,其元胞结构包括:P型集电区14、位于P型集电区14背面的集电极金属15、位于P型集电区14正面的N型电场阻止层13和位于N型电场阻止层13上方的N型漂移区12;其特征在于:N型漂移区12中具有P+发射区4、N+发射区5、P型基区6、N型电荷存储层7、P型体区10、沟槽栅结构、沟槽发射极结构和沟槽集电极结构;

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