[发明专利]均热沟槽栅IGBT结构

说明书

本发明提供一种均热沟槽栅IGBT结构，包括：一个有效IGBT元胞和一个栅极热敏控制单元；所述有效IGBT元胞设置为沟槽栅型IGBT元胞；所述栅极热敏控制单元包括两个热敏电阻和两个二极管；其中一个热敏电阻和一个二极管串联形成第一串联支路用于控制栅极开通速度，第一串联支路的一端连接沟槽栅，另一端连接栅极金属；其中另一个热敏电阻和另一个二极管反向串联形成第二串联支路用于控制栅极关断速度，第二串联支路的一端连接沟槽栅，另一端连接栅极金属。本发明通过独立设置的沟槽栅以及热敏栅电阻，实现了单个元胞根据自身温度自行调节开关速度，使温度高的元胞降低损耗，从而达到降低自身结温的目的。对于整个IGBT芯片来说实现了热均衡。

技术领域

本发明属于半导体功率器件领域，尤其是一种均热沟槽栅IGBT结构。

背景技术

IGBT结构是通过在功率MOSFET背面衬底引入P+区而发明出来的，因此它可以看作是一种将功率MOSFET和BJT相结合起来的新型功率器件，兼具了MOS结构驱动功率而开关速度快，以及BJT器件饱和压降降低而负载能力强的优点，在直流电压为600V及以上的变流系统中逐渐代替MOSFET和BJT器件。因而，IGBT被广泛应用在电机控制、电磁炉、空滤变频、机车牵引、高压直流输电等各个领域，成为最热门的功率器件。

目前主流的IGBT结构为沟槽栅场截止型IGBT，这种IGBT具有较优的开通关断折衷特性，较高的电流密度，较优面积和导通比值。为了增强面内一致性和提高器件并联特性，在栅极金属和元胞栅极之间集成一个多晶硅的栅电阻。栅电阻值可根据设计需要随意设置，工艺简单并且工艺兼容性强，不需要额外增加光刻版或者工艺步骤。目前，集成栅电阻的IGBT芯片已经使用非常广泛。

现有技术的局限：

1. 栅极电阻控制整个芯片元胞的开关速度；所以距离栅极金属较远的元胞可能有开关滞后的现象，这样便很容易导致先导通的元胞承受大部分电流，引起IGBT开关过程电流集中的现象；电流集中容易引起热量集中，在高压电流条件引起器件失效；尤其对于面积较大的芯片来说，面内一致性尤为重要。

2. 芯片面内的热分布对可靠性非常重要，一般来说中心温度高，边缘温度低；对于温度高的区域长期使用，失效率要高于温度低的区域；目前还没有非常有效的设计方法实现单个元胞温度调节，优化面内温度一致性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种均热沟槽栅IGBT结构，对于整个IGBT芯片来说实现了热均衡，降低芯片热集中导致的失效风险。为实现以上技术目的，本发明实施例采用的技术方案是：

本发明实施例提供了一种均热沟槽栅IGBT结构，包括：一个有效IGBT元胞和一个栅极热敏控制单元；

所述有效IGBT元胞设置为沟槽栅型IGBT元胞；

所述栅极热敏控制单元包括两个热敏电阻和两个二极管；其中一个热敏电阻和一个二极管串联形成第一串联支路用于控制栅极开通速度，第一串联支路的一端连接沟槽栅，另一端连接栅极金属；其中另一个热敏电阻和另一个二极管反向串联形成第二串联支路用于控制栅极关断速度，第二串联支路的一端连接沟槽栅，另一端连接栅极金属。

进一步地，每个元胞的沟槽栅都是独立分开的，不与其它元胞的沟槽栅相连。

进一步地，第一串联支路中的热敏电阻为负温度系数，第二串联支路中的热敏电阻为正温度系数。

进一步地，所述两个热敏电阻和两个二极管均设置在元胞顶部一侧，并通过绝缘介质层独立隔离并且与元胞体区隔离；

第一串联支路包括热敏电阻Rg2和二极管D2，热敏电阻Rg2一端与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与元胞中的沟槽栅接触连接；第二串联支路包括热敏电阻Rg1和二极管D1，热敏电阻Rg1一端与二极管D1的阴极相连，二极管D1的阳极与元胞中的沟槽栅接触连接。

进一步地，热敏电阻Rg1的另一端和热敏电阻Rg2的另一端分别通过G极接触孔连接栅极金属。