[发明专利]一种降低导通电阻和增加安全工作区的功率半导体器件结构

说明书

一种降低导通电阻和增加安全工作区的功率半导体器件结构，包括N漂移区，在N漂移区内设置的P‑body区，在P‑body区内的表面设置有P+接触层，在P‑body区内P+接触层外围设置有N+源区，其特征在于在P+接触层下方的P‑body区内设置有收集杂散电流的P+埋层；在P‑body区外围的N漂移区表面设置有N+掺杂区；P+埋层的浓度要求比所在区域的P‑body掺杂浓度要高1‑5个量级；N+掺杂区的浓度应低于P‑body区的浓度，且高于N漂移区的浓度。其优点在于可降低导通电阻，增加器件工作安全区。

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及平面功率半导体器件中降低导通电阻和寄生晶闸管作用的方法。

背景技术

功率半导体器件是实现电能转换和控制的关键器件，绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是其中的一种典型半导体器件，它的结构跟晶闸管类似，也是一种四层三结结构，只是IGBT结构中加入了栅电极，通过栅电极来控制器件的开通与关断，从而实现电路的电能转换。IGBT被广泛应用于直流电压为600V及以上的变流系统，如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。根据控制信号的指示，IGBT工作时会处在导通或关断状态。在导通时，IGBT的开通损耗与它的导通电压息息相关，而导通电压与器件的导通电阻是一个正向关系，所以，要降低器件的开通损耗，就应该降低器件导通电阻。其次，因为IGBT器件内部总有一个寄生晶闸管，要保持IGBT正常安全的工作，必须要避免寄生晶闸管的开通，否则会导致器件导通电流上升且不受栅电极控制，也会增加IGBT的开通损耗，最终导致器件的损坏。

传统的n沟道平面IGBT如图1，参看图1，器件是由N+源区11、P-body区12、P+接触层13、N漂移区14、N缓冲区15、P+集电区16、集电极17、栅电极18、发射极19构成的 4层三结npnp结构，这种结构与晶闸管的结构类似。N+源区和P-body接触形成J₁(Junction 1)结，而P-body与N漂移区接触形成J₂(Junction 2)结。

当IGBT导通时，栅极信号导致P-body表面沟道处(P-body表面被栅电极覆盖的区域) 被反型，电流从P-body的沟道传输进入到下面的pnp晶体管T₁。根据电流的流通路径，导通电阻主要包含以下几个部分：R_ch(沟道区电阻)，R_acc(积累区电阻)，R_JFET(JFET区电阻)，R_drift(漂移区电阻)等。导通时，R_acc因为电流流通截面较小，所以对导通电阻贡献较大；同时，因为器件导通时J₂(Junction 2)反偏产生耗尽层，J₂耗尽层会压缩导通时电流在N漂移区的流通横截面，导致R_JFET导通电阻增加，也增加IGBT的导通损耗；可见R_acc和R_JFET对导通电阻的贡献都是不可忽略的。那么，能够降低这两个区域的导通电阻，将对减少器件的能量损耗有十分重要的意义。另外，当P-body中不可避免的流过较大电流时，因为P-body 区域寄生电阻R_p的存在杂散电流会在R_p上产生ΔV的压降，当此压降超过J₁(Junction 1) 结的导通电压时，就会触发npn寄生晶体管(T₂)导通，从而导致寄生晶闸管的开启。常规方法是在P-body中加入高掺杂的P+接触层，将电流从P+接触层引流出去，但当有大电流流通时仍有可能触发J₁结开通。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可降低导通电阻和增加安全工作区的功率性半导体器件结构，通过在P-body区内设置P+埋层及在P-body区外围设置N+掺杂区来实现，使功率型半导体器件的电气性能更优良。