[实用新型]隧道泵高速绝缘栅双极晶体管

说明书

本实用新型属半导体器件领域，特别是一种功率器件。

众所周知，大功率和高频率是功率器件发展的两个方向，而功率器件中导通电阻Ron与耐压V_B和正向压降V_F与瞬态关断时间T_off的两个基本矛盾限制了它们的发展。近年来发明的绝缘栅双极晶体管(IGBT)是电导调制型功率器件的代表，其单元结构示意图如图1。它利用电导调制效应的原理，降低了V_F，即可降低Ron从而较好也克服了Ron与V_B的第一对矛盾。因此IGBT具有输入阻抗高、无二次击穿，低V_F等优点，成为目前国内外耐压在1500V以内广泛使用的新型功率晶体管的主流器件。但IGBT的一个最突出的弱点是开关速度低(其值仅在20KHz左右)。影响开关特性的最主要因素是关断时间T_off，人们为此进行了一系列的工作，目前主要采用寿命控制技术，例如利用电子辐照或中子辐照来降低少数载流子的寿命以使关断时间T_off下降，或再辅以结构上的变化；在P⁺阳极与N^-漂移区间增加N⁺缓冲层；或优化N^-与N⁺层的厚度与浓度；或优化元胞(Cell)图形，减小沟道长度及元胞间距等来降低开关时间，但这都会使电导调制作用减弱，导致正向压降V_F增加，特别当T_off低于0.5μs时，V_F将急剧上升，而且还受到工艺的限制。因此，高速度与低损耗即上述第二对矛盾便成为IGBT的主要矛盾；另外在IGBT制作上还存在一个问题，它的衬底材料采用P⁺/N^-异性高阻硅厚外延片，这不仅加工困难，而且生产成本高(进口1片厚度为100μm的3英寸片约需800元左右，而目前国内生产的外延片质量尚不能完全满足要求)，加之外延层不可能做得太厚，因而难于制作耐压层大于2000V的器件。其后，日本东芝公司1986年利用硅片直接键合(Silicon-wafer Di-rect Bonding简称SDB)材料取代异性高阻硅厚外延片作为衬底，制作高压IGBT，但其速度仍较低；1992年德国西门子公司报道了一种利用硅单晶背面注入制作耐压为2000伏的IGBT的新方法，但其关断时间仍然很长，且其背面注入需采用激光退火方式，因而成本贵效率低；特别是，这种方法对中等耐压的IGBT则会因N^-单晶层太薄，难于加工(如耐压1200伏，单晶厚度约为100微米)而不宜采用。

针对目前IGBT存在的上述两大问题，本实用新型的任务在于设计一种新结构的IGBT，使之既能克服常规lGBT速度低的主要矛盾，实现高速度和低损耗，又能在全耐压范围(从几百伏到大于2000V)内工作，且制作工艺简单、成本低，以满足各类用户对高速、高耐压IGBT的急需。