[发明专利]集成钳位二极管的超结4H-SiC IGBT器件

说明书

本发明涉及一种集成钳位二极管的超结4H‑SiC IGBT器件，属于功率半导体器件领域。该器件包括P+发射区、N+发射区、P‑body区、NCEL层、N‑drift区、N‑buffer区、P+集电区、P‑pillar区、P+shield区、金属集电极、金属浮空电极、栅极氧化层、多晶硅栅极、P+区、N+区和金属发射极。本发明引入P‑pillar区改善了漂移区内电场分布；注入P+shield区能够屏蔽栅极氧化层高电场；引入NCEL层作为空穴势垒层，具有载流子注入增强效应；器件顶部集成4H‑SiC PN二极管，既保证导通压降不增大，也减小了饱和电流密度，同时在器件关断时提供了一条空穴的快速抽取路径。

技术领域

本发明属于功率半导体器件领域，涉及一种集成钳位二极管的超结4H-SiC IGBT器件。

背景技术

SiC(碳化硅)在分子结构上是一种由硅原子和碳原子组成的化合物半导体材料，作为典型的第三代半导体材料，SiC材料有着Si材料无法比拟的优势，其禁带宽度是Si的3倍左右，临界击穿电场大约是Si的10倍，而且有着晶体结构稳定、本征载流子浓度低、电子饱和漂移速率高、抗辐射性能强和热导率高等优点；根据Si/C双原子层堆垛顺序，SiC材料有着近两百种不同的结晶结构，对比3C-SiC、6C-SiC和6H-SiC等其它同质异型体，其中SiC原子密排层数为4的六方晶系结构碳化硅(4H-SiC)各项性能更优异，作为Si基功率器件的替代品，在半导体领域中具有广阔的应用前景。

目前，SiC基功率器件中MOSFET类型最受学界和工业界青睐的，大量的实验已经证实SiC MOFET性能的优越，得益于SiC材料的优异特性，在650V～10KV的电压应用领域，SiCMOSFET具有高的开关速度、低的比导通电阻、极低的关态泄漏电流和较小的器件尺寸等优点。但是随着耐压的提升，特别是万伏以上的应用场景，SiC MOSFET不再是首选器件，高的耐压承受能力需要厚且掺杂浓度较低的漂移区，这使得SiC MOSFET比导通电阻变得很大，带来了器件损耗的增加；SiC IGBT具有双极导电模式，两种载流子都参与导电，其电导率调制可以显著降低传导损耗。因此SiC IGBT的研究具有极大的应用价值，是未来超高压领域的理想器件。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种集成钳位二极管的超结4H-SiC IGBT器件，利用电荷平衡原理，改善漂移区电场分布，减小器件的尺寸；在器件的导通压降不增大的同时，提高关断速度并降低关断能量损失，达到器件导通压降和关断损耗之间良好的Trade-off折中关系。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种集成钳位二极管的超结4H-SiC IGBT器件，包括：P+发射区1、N+发射区2、P-body区3、NCEL层4、N-drift区5、N-buffer区6、P+集电区7、P-pillar区8、P+shield区9、金属集电极10、金属浮空电极11、栅极氧化层12、多晶硅栅极13、P+区14、N+区15和金属发射极16；

所述P+发射区1位于P-body区3和金属发射极16之间，其右侧与N+发射区2左侧接触；

所述N+发射区2位于P-body区3上表面，其左右两侧分别与P+发射区1右侧和栅极氧化层12左侧接触，其上表面分别与栅极氧化层12和金属发射极16接触；

所述P-body区3位于NCEL层4上表面，其右侧与栅极氧化层12左侧接触，其上表面分别与P+发射区1和N+发射区2接触；

所述NCEL层4位于P-body区3的下表面和N-drift区5的上表面；

所述N-drift区5位于NCEL层4的下表面和N-buffer区6的上表面，其右侧分别与P-pillar区8和P+shield区9接触；

所述N-buffer区6位于N-drift区5的下表面和P+集电区7的上表面；