[发明专利]一种利用二极管钳位的具有载流子存储层的IGBT器件

说明书

本发明涉及功率半导体领域，提供一种利用二极管钳位的具有载流子存储层的IGBT器件，用以克服现有的具有载流子存储层(CSL)的槽栅IGBT饱和电压高、短路安全工作区较小以及CSL浓度受限的问题；本发明IGBT在槽栅IGBT工艺上直接在硅片表面集成一个或多个串联二极管用于钳位P区电场屏蔽层的电位，在现有槽栅IGBT工艺的基础上突破了CSL的浓度限制，极大地提高了IGBT发射极的注入效率，从而极大地提高了IGBT的导通压降和关断损耗的折中关系；同时，由于二极管的钳位作用，使得IGBT的nMOS沟道附近的漏极在高压大电流下被钳位在较低的电压，从而使得新型IGBT的饱和电流很大程度地降低，从而提高了IGBT的短路安全工作区。

技术领域

本发明涉及功率半导体领域，提供一种利用二极管钳位的具有载流子存储层的IGBT器件，具体为一种具有超低导通压降、低饱和电流密度和快速关断特性的IGBT器件。

背景技术

IGBT折中了BJT的低导通压降和MOSFET快速开关的特点，因而被广泛应用于电力电子系统。

IGBT最为关键的特性在于导通压降和关断损耗的折中关系以及安全工作区，由于IGBT导通时集电极注入大量非平衡载流子来形成电导调制效应以降低导通压降，其关断时，耐压区的少数载流子需要一段时间才能消失，从而使得IGBT关断速度较慢，关断损耗较高。为了进一步优化IGBT导通压降和关断损耗的折中关系，具有载流子存储层(CarrierStored La yer：CSL)的IGBT被提出，如文献《H.Takahashi,et al.“Carrier storedtrench-gate bipola r transistor(CSTBT)-a novel power device for high voltageapplication”,in Proc.ISPSD,pp.349-352,1996》，其结构如图1所示，该IGBT采用载流子存储层来提高IGBT发射极的注入效率，从而可以降低集电极的注入效率来获得相同的导通压降；这样，IGBT在关断时，由于集电极注入较低，关断时间被大大降低。对于图1所示的具有载流子存储层的IGBT，随着CSL的浓度的提高，器件将获得更优的性能；但是，当CSL浓度超过一定值时，IGBT的耐压就会急剧下降；同时，该具有载流子存储层的IGBT的槽栅结构沟道密度很大，这将极大地增大IGBT的栅驱动电荷，并且导致IGBT饱和电流很高，使得IGBT的短路安全工作区极大地降低。为了提高对CSL的电场屏蔽作用，具有浮空P区电场屏蔽层的槽栅IGBT被提出，如文献《R.Y.Ma,et al.“Carrier stored trench-gate bipolartransistor with p-floating layer,Journal of Semiconductors,31.2(2010):024004》，其结构如图2所示，该结构可以使得CSL的浓度进一步提高，有助于优化器件性能；但是该器件的栅驱动电荷和短路安全工作区并没有得到明显改善，并且CSL的浓度仍然不能过高，不然IGBT的击穿电压将急剧降低。又如文献《P.Li,M.F.Kong,X.B.Chen,“A noveldiode-clamped CSTBT with ultra-low on-state voltage and saturation current”,in Proc.ISPSD,pp.307-310,2016》中提出了一种在氧化层上制作多晶硅二极管来钳位P区电场屏蔽层的电位，从而突破了CSL浓度的限制，但是该结构与常规IGBT制作工艺不兼容，并且多晶硅的性质具有不确定性，通常还需要特殊的退火技术来提高其可靠性。

发明内容