[实用新型]一种新型碳化硅沟槽式绝缘栅双极晶体管

说明书

本实用新型提出了一种新型碳化硅沟槽式绝缘栅双极晶体管，包括：第一导电类型的碳化硅衬底；具有与该第一导电类型相反电性的第二导电类型的漂移区，设置于该衬底上；具有第二导电类型的电流分布层设置于该漂移区上；具有第一导电类型的第一阱区设置于该电流分布层上；具有第二导电类型的第二阱区设置于第一阱区上；具有第一导电类型的基区设置于第二阱区上；具有第二导电类型的第一接触源极区设置于基区并且与该发射极接触区相邻但相隔开；该发射极接触区、第一接触源极区与第二接触源极区；多个沟槽形成于基区并垂直延伸至漂移区中；栅极，设置于衬底上方相应的每一个沟槽中，包括于相应沟槽内的侧壁形成栅极绝缘层，并以多晶硅填充。

技术领域

本实用新型涉及一种绝缘栅双极晶体管，特别是一种新型碳化硅沟槽式绝缘栅双极晶体管。

背景技术

绝缘栅双极晶体管(IGBT)是一种由MOSFET驱动的BJT晶体管，融合了MOSFET和BJT这两种器件的优点，是一种理想的开关器件，广泛应用在新能源、车用电子、智能电网等领域。具有沟槽栅结构的IGBT器件与平面栅结构的IGBT器件相比具有下列优点：首先，沟槽栅结构可以减小器件的元胞尺寸、增大器件的沟道密度，进而减小器件的导通电阻。其次，沟槽栅结构去除了平面栅结构的寄生 JFET区域，进一步减低器件的沟道电阻。最后，与平面栅结构相比，沟槽栅结构具有较强的抗闩锁能力。

传统沟槽式栅结构的IGBT，其元胞结构如图1所示，包括栅极氧化层(gate oxidelayer)101形成于沟槽侧壁，沟槽内则填满多晶硅 (polysilicon)103作为栅极电极。此垂直沟槽式栅极，包括第一栅极 (Gate 1)与第二栅极(Gate 2)，皆具有深度由发射极(emitter)的 P+/N+掺杂区域(104a/104b)经P型阱区(P-well)113延伸至N型漂移(N-drift)区域115。此外，N型缓冲层(N-buffer)106形成于 P+(阳极/集电极)衬底105之上，所述N型漂移区域115形成于N 型缓冲层106上。

采用这种沟槽式栅极电极设计，导通损耗较低，因为沟槽设计提供垂直MOS沟道，其提供增强的电子注入垂直方向并且不会有JFET 效应。因此，沟槽单元显示出载流子增益大大地改善对降低损失的贡献。由于垂直沟道设计，沟槽也提供较少的PNP效应，改善了MOS沟道的电子扩散问题。沟槽设计提供了大的沟槽单元填充密度减少沟道阻力。

然而，于器件应用上，例如作为马达反相器的功率开关，需要具有低集电极-发射极饱和电压V_CE(ON)以及短路耐受时间Tsc，然而在沟槽式IGBT器件设计中会因为增加Tsc而导致V_CE(ON)增加因而劣化沟槽式IGBT器件整体性能。

由于SiC具有独特的物理、化学及电学特性，使SiC-IGBT器件于高温、高频及抗辐照等极端条件的应用上极具发展潜力。为了避免沟槽式SiC-IGBT器件发生如上述传统沟槽式栅结构Si-IGBT的类似问题，本实用新型提出一种新型碳化硅沟槽式栅结构绝缘栅双极晶体管，与传统型的双栅极沟槽IGBT结构相比，改良型碳化硅双栅极沟槽式IGBT结构多了P-基区与N-阱，其中P-基区、N-阱、以及 P-阱形成低增益的PNP晶体管，增强了N-漂移区的电导调制效应，此外，设置电流分布层于P型阱区与N型漂移区之间。此一新结构的碳化硅沟槽式栅结构IGBT，其与传统型的沟槽式IGBT相比可以增强导通调变、具有较低的沟道电阻，可以有效降低集电发射极饱和电压V_CE(ON)，增进器件的工作效能。

实用新型内容