[发明专利]一种优化体内电场的载流子增强型IGBT器件

说明书

一种优化体内电场的载流子增强型IGBT器件，属于功率半导体器件技术领域。本发明通过在传统载流子增强型IGBT器件的P+空穴存储层内引入栅控下等效为可变电阻的JFET结构，以此减少关断时间、降低关断损耗，获得更优的E_off‑V_cesat折衷关系；同时在P+空穴存储层下方的N‑漂移区中引入若干个沿器件垂直方向分布的P型浮空埋层，有利于降低器件正向导通时的P+空穴存储层电压，抑制JFET结构中寄生NPN开启，降低器件关断时P+空穴存储层底部的碰撞电离率，提高器件的耐压和工作可靠性；本发明提出IGBT器件与现有IGBT器件的制作工艺兼容，有利于实现产业化。

技术领域

本发明属于功率半导体器件技术领域，具体涉及一种优化体内电场的载流子增强型IGBT器件。

背景技术

绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)作为常用的场控功率器件，具有输入阻抗高、开关速度快、电流密度大、饱和压降低等诸多优势，已经成为了中高功率电力电子领域处理与转换的主力器件之一，被广泛应用在轨道交通、新能源汽车、风力发电等领域。

降低器件损耗作为衡量功率器件设计质量的重要指标备受技术人员关注。其中开关损耗和通态损耗是器件损耗的主要部分，通态损耗主要来源于导通态下的大电流、饱和导通压降，以及关断状态下的高压、泄漏电流；而IGBT开关损耗主要是因为关断时电流存在较长时间的拖尾，关断损耗通常作为技术人员关注的重点。因为IGBT通常是应用在高压、大电流领域，所以现目前降低通态损耗的方法主要集中于降低IGBT器件饱和导通压降和关断后的泄漏电流；而降低关断损耗的方法主要集中于降低IGBT的电流拖尾时间。然而，降低饱和导通压降与减小关断损耗之间通常存在矛盾，技术人员通常采用关断损耗和饱和导通压降(Eoff-Vcesat)来表示这种折衷关系。而如何优化上述折衷关系成为了本领域技术人员成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。

现目前减少通态损耗主要是降低饱和导通压降，而降低饱和导通压降最常用的技术是载流子增强技术。基于载流子增强技术，业界已经提出了包括增强型绝缘栅双极型晶体管(IEGT)，载流子存储层结构的沟槽双极型晶体管(CSTBT)，高电导率IGBT(HiGT)，平面增强结构IGBT以及新型介质阻挡层IGBT、局部窄台面结构IGBT、P型埋层CSTBT等诸多结构来降低器件的饱和导通压降。而现目前降低器件关断损耗的主要方法是通过寿命控制方法来降低漂移区内少数载流子寿命，加快关断时载流子的复合过程，从而减少电流拖尾时间，以此降低器件的关断损耗；同时，对于槽栅型载流子存储型IGBT，为了降低器件短路电流，通常增大元胞间距并用P+空穴存储层填充，以降低饱和导通压降，随着P+空穴存储层面积的增加，正向导通时存储的空穴浓度增大，关断时加快存储层内载流子抽取过程，有利于减小泄漏电流，在减小关断损耗的同时，也有利抑制泄漏电流与温度之间形成正反馈，进一步提高器件热稳定性和关断能力。但是，上述这些结构无法优化关断损耗和饱和导通压降(E_off-V_cesat)的折衷关系，而且在实际应用中会存在各种可靠性问题。如图1所示为传统槽栅结构的载流子增强型IGBT结构，其中浮空P区在增强漂移区电导调制的同时，也会因为负栅电容效应而直接影响器件的工作稳定性，槽栅型IGBT作为IGBT器件的一种结构，由于槽栅底部易形成电场聚集，导致器件击穿电压的提高受限。如果在槽栅型IGBT中引入空穴存储层，由于在关断时空穴从空穴存储层抽取，会使得该处碰撞电离率提高，击穿点发生转移。

发明内容

鉴于上文所述，本发明针对现有载流子增强型IGBT器件存在关断能力不足致使E_off-V_cesat折衷性差、可靠性差等问题，提供一种优化体内电场的载流子增强型IGBT器件，通过在传统载流子增强型IGBT器件的P+空穴存储层内引入栅控下等效为可变电阻的JFET结构，以此减少关断时间、降低关断损耗，获得更优的E_off-V_cesat折衷关系。