專利名稱：一種無snapback效應(yīng)的逆導(dǎo)型絕緣柵雙極晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體功率器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。
背景技術(shù)：
隨著科技的不斷進(jìn)步和工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)能源特別是對(duì)電力的消耗日益增加，如何節(jié)約電能，提高能源的利用效率，成為了當(dāng)今的重要課題。在此背景下，以IGBT為代表的半導(dǎo)體功率器件應(yīng)運(yùn)而生。IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型晶體管，是由 BJT 和MOS組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器器件。IGBT既具有MOSFET的工作速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、熱溫度性好的優(yōu)點(diǎn)，又擁有BJT載流量大，阻斷電壓高等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，從而極大的擴(kuò)展了半導(dǎo)體器件的功率應(yīng)用領(lǐng)域。而且，在相同功率定額條件下，IGBT所用的硅面積要比MOSFET小。因此在高壓應(yīng)用領(lǐng)域，IGBT正在逐漸取代MOSFET。同時(shí)和功率BJT相比，IGBT具有很高的開關(guān)頻率，以及相近的通態(tài)壓降和電流密度。IGBT的柵極與發(fā)射極之間、柵極與集電極之間存在著結(jié)間電容，在它的射極回路中存在著漏電感，這些分布參數(shù)很不利于IGBT的動(dòng)態(tài)特性，因此常規(guī)的IGBT只能單向?qū)ā，F(xiàn)有一種反向?qū)ń^緣柵雙極晶體管(RC-1GBT)，如圖1所示，其結(jié)構(gòu)上引入了一個(gè)N集電極9,實(shí)現(xiàn)集電極短路結(jié)構(gòu)，以很低的成本將快恢復(fù)二極管(free-wheeling diode,FffD,用于導(dǎo)通反向電流)集成于IGBT芯片上，大大改善了動(dòng)態(tài)特性，使IGBT能夠?qū)ń蛔冸娏?。RC-1GBT其相同的硅被正向?qū)ê头聪驅(qū)ㄍ瑫r(shí)利用，降低了芯片尺寸和測(cè)試等成本，和傳統(tǒng)單向IGBT相比，在正向電壓降和關(guān)斷損耗之間取得了更好的平衡，如文獻(xiàn)[I]E. Napoli, P. Spirito, A. G. M. Strollo, F. Frisina, L. Fragapane, and D. Fagone, “Designof IGBT with integral freewheeling diode,，，IEEE Electron Device Lett. , vol. 23, n o. 9, pp. 532-534, Sept. 2002. [2] H. Takahashi, A. Yamamoto, S. Aono, and T. Minato, “ 1200Vreverse conducting IGB T,，，in Proc.1SPSD, 2004, pp. 133-136.所述。然而，RC-1GBT容易發(fā)生snapback效應(yīng)-即正向電壓達(dá)到一定程度時(shí)，電流增
大電壓反而下降，這個(gè)缺點(diǎn)近年來受到了大量關(guān)注。RC-1GBT正向?qū)〞r(shí)，低電流密度下電子全部經(jīng)過N集電極9流向陽極12，由于N緩沖層8降低了 P集電極10的發(fā)射效率，當(dāng)電壓增加到一定程度時(shí)，P集電極10才開始導(dǎo)通并向N漂移區(qū)6注入空穴，通過電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)降低N漂移區(qū)6的電阻，使得電流增大而電壓反而減小，即snapback效應(yīng)。當(dāng)器件并聯(lián)時(shí)，特別是在非常低的溫度下，這個(gè)負(fù)面效應(yīng)會(huì)阻止器件的完全開啟。通?？稍谄骷獠吭黾右粋€(gè)例如RC緩沖電路的輔助電路來改善器件動(dòng)態(tài)特性，并消除snapback效應(yīng)，不過由此會(huì)增加電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。本發(fā)明將提出一種新型的RC-1GBT結(jié)構(gòu)，從器件結(jié)構(gòu)上消除snapback效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種逆導(dǎo)型絕緣柵雙極晶體管(RC-1GBT)，該RC-1GBT無snapback效應(yīng),器件關(guān)斷損耗更低。RC-1GBT的特點(diǎn)是集電極既有P集電極10又有N集電極9，相當(dāng)于集成了一個(gè)PIN結(jié)構(gòu)的快恢復(fù)二極管(由P體區(qū)5、N漂移區(qū)6和N集電極9所構(gòu)成)，大大減小電流從正向到反向相互變化時(shí)的恢復(fù)時(shí)間，使IGBT能夠雙向工作。然而傳統(tǒng)RC-1GBT會(huì)發(fā)生snapback效應(yīng)，在溫度較低時(shí)，阻止器件的完全開啟。Snapback效應(yīng)即RC-1GBT正向?qū)〞r(shí)，低電流密度下電子全部經(jīng)過N集電極9流向金屬化集電極12，由于N緩沖層8降低了 P集電極10的發(fā)射效率，當(dāng)電壓增加到一定程度時(shí)，P集電極10才開始導(dǎo)通并向N漂移區(qū)6注入空穴，通過電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)降低N漂移區(qū)6的電阻，使得電流增大而電壓反而減小的效應(yīng)。本發(fā)明采用技術(shù)方案為一種無snapback效應(yīng)的逆導(dǎo)型絕緣柵雙極晶體管,其結(jié)構(gòu)如圖2所示,包括金屬化發(fā)射極1、場(chǎng)氧化層2、多晶硅柵電極3、柵氧化層、N+源區(qū)4、P體區(qū)5、N-漂移區(qū)6、N緩沖層8、N集電區(qū)9、P集電區(qū)10和金屬化集電極12 ;P體區(qū)5位于N-漂移區(qū)6頂部，N+源 區(qū)4位于P體區(qū)5中，柵氧化層位于N+源區(qū)4、P體區(qū)5和N-漂移區(qū)6的表面，多晶硅柵電極3位于柵氧化層表面，金屬化發(fā)射極I覆蓋N+源區(qū)4和P體區(qū)5的剩余表面，金屬化發(fā)射極I與多晶硅柵電極3之間是場(chǎng)氧化層2。N-漂移區(qū)6的下表面具有相互接觸的P浮空區(qū)7和N緩沖層8，P浮空區(qū)7和金屬化集電極12之間是N集電區(qū)9，N緩沖層8和金屬化集電極12之間是P集電區(qū)10，N集電區(qū)9和P集電區(qū)10被相互隔離；N集電區(qū)9與N-漂移區(qū)6部分接觸，接觸寬度尺寸為L(zhǎng)gap ;金屬化集電極12內(nèi)部具有一個(gè)氧化層11，氧化層11將金屬化集電極12隔離成兩個(gè)部分，其中一部分金屬化集電極12只與N集電區(qū)9接觸，另一部分金屬化集電極12只與P集電區(qū)10接觸。需要說明的是1、浮空P區(qū)7的具體實(shí)現(xiàn)方法為離子注入技術(shù)或擴(kuò)散技術(shù)；2、所述P浮空區(qū)7濃度、P浮空區(qū)7結(jié)深Xp、N緩沖層8濃度、N緩沖層8結(jié)深Xn和N集電區(qū)(9)與N-漂移區(qū)(6)的接觸寬度尺寸Lgap可供優(yōu)化。本發(fā)明提供的無snapback效應(yīng)的逆導(dǎo)型絕緣柵雙極晶體管，相當(dāng)于是在圖1所示常規(guī)逆導(dǎo)型絕緣柵雙極晶體管的N集電區(qū)9和N緩沖層8之間引入一個(gè)P浮空區(qū)7。P浮空區(qū)7部分包圍N集電極9，N集電區(qū)9與N-漂移區(qū)6的接觸區(qū)域?qū)挾瘸叽鐬長(zhǎng)gap。P浮空區(qū)7，N緩沖層8和氧化層11將N集電區(qū)9與P集電區(qū)10隔離。氧化層11隔離P浮空區(qū)7與金屬集電極12。如圖2所示，本發(fā)明提供的無snapback效應(yīng)的逆導(dǎo)型絕緣柵雙極晶體管在N集電區(qū)9和N緩沖層8之間引入的P浮空區(qū)7，在低電流密度時(shí)，P浮空區(qū)7起到電子勢(shì)壘的作用，減小了 N集電區(qū)9元胞長(zhǎng)度，減小其有效面積，從而大大提高集電極短路電阻，由此抑制snapback效應(yīng)；當(dāng)電壓逐漸增加時(shí)，P浮空區(qū)7開始向N-漂移區(qū)6發(fā)射空穴，由于P浮空區(qū)7上方?jīng)]有N緩沖層8，發(fā)射效率較高，所以會(huì)比P集電區(qū)10更早開始工作，通過電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)降低N-漂移區(qū)6的電阻，消除snapback效應(yīng)。同時(shí)，本發(fā)明提供的無snapback效應(yīng)的逆導(dǎo)型絕緣柵雙極晶體管在反向工作時(shí)，N集電區(qū)9、P浮空區(qū)7和N-漂移區(qū)6晶體管開啟提供電流通路，N集電區(qū)9作為發(fā)射極工作，由P體區(qū)5、N集電區(qū)9、P浮空區(qū)7和N-漂移區(qū)6構(gòu)成的PNPN四層結(jié)構(gòu)形成正反饋，由圖3的等效電路圖可知，降低了反向?qū)〞r(shí)的導(dǎo)通電阻，這些有助于集成的快恢復(fù)二極管實(shí)現(xiàn)較低的開態(tài)電壓和快速關(guān)斷。
當(dāng)電流密度較小，P集電區(qū)10未導(dǎo)通時(shí)，稱此時(shí)的IGBT工作在單極模式；當(dāng)電流密度較大，P集電區(qū)10導(dǎo)通時(shí)，稱此時(shí)的IGBT工作在雙極模式。本發(fā)明由于消除了snapback效應(yīng),進(jìn)入雙極模式時(shí)的電壓遠(yuǎn)低于常規(guī)結(jié)構(gòu),如圖4所示。 通過數(shù)學(xué)仿真軟件,驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無snapback效應(yīng)的RC-1GBT。圖4展示了其正向?qū)ㄌ匦裕统Ｒ?guī)RC-1GBT相比，新結(jié)構(gòu)即使在_40°C時(shí)也沒有snapback效應(yīng)，這有利于P浮空區(qū)7形成高電阻率短集電極電子通路，如圖5所示。圖6給出了 snapback效應(yīng)與集電極元胞長(zhǎng)度的關(guān)系，從圖1中我們可以看到，集電極元胞長(zhǎng)度僅為SOym的新結(jié)構(gòu)(Lgap=4 V- m)沒有snapback效應(yīng),而常規(guī)結(jié)構(gòu)直到元胞長(zhǎng)度增加到2mm時(shí)才能消除snapback效應(yīng)。圖7顯示出在反向?qū)顟B(tài)下,小于1. OV的開態(tài)電壓(此時(shí)載流子壽命=1to 100 y s)，這是由于由N集電區(qū)9、P浮空區(qū)7和N-漂移區(qū)6所構(gòu)成的晶體管的開啟所造成的(見圖7中的電流線插圖)。新結(jié)構(gòu)在正向電壓降和關(guān)斷損耗之間取得了更好的平衡。在正向壓降同為1. 44V時(shí)，結(jié)構(gòu)的關(guān)斷損耗比常規(guī)結(jié)構(gòu)減小20% (圖8)，并且關(guān)斷時(shí)間比常規(guī)結(jié)構(gòu)減小了 27% (圖9)。


圖1是常規(guī)RC-1GBT的剖面示意圖。圖2是本發(fā)明提供的無snapback效應(yīng)的RC-1GBT的剖面示意圖。圖3是本發(fā)明提供的無snapback效應(yīng)的RC-1GBT的正向?qū)?a)和反向?qū)?b)的等效電路圖。其中integrated FWD為集成快恢復(fù)二極管。圖4是常規(guī)RC-1GBT和本發(fā)明提供的無snapback效應(yīng)的RC-1GBT的正向特性曲線圖。其中橫坐標(biāo)Colector Voltage為集電極電壓V。,縱坐標(biāo)Colector Current為集電極電流I。, Conventional指常規(guī)結(jié)構(gòu)，Proposed指本發(fā)明新結(jié)構(gòu),Rdift指漂移區(qū)電阻,Reh指溝道電阻，指集電極短路電阻。圖5是器件電勢(shì)線和電流線,其中(a) Conv. RC at A (unipolar mode)為常規(guī)結(jié)構(gòu)工作在A點(diǎn)(單級(jí)模式)，(b) Conv. RC at A (bipolar mode)為常規(guī)結(jié)構(gòu)工作在B點(diǎn)(雙級(jí)模式)，(c) Proposed RC at C(unipolar mode)為新型結(jié)構(gòu)工作在C點(diǎn)(單級(jí)模式)，(d)Proposed RC atD (bipolar mode)新型結(jié)構(gòu)工作在D點(diǎn)(雙級(jí)模式)。其中N-drift為N漂移區(qū)、N-buffer 為 N 緩沖層、P-collector 為 P 集電極、N-Collector 為 N 集電極,P-float 為P浮空層，Barrier for electrons表不電子勢(shì)魚，Activated n-p_n表不n-p_n被激活。圖6是AVsb (=Vsb-Vh, Vsb是snapback效應(yīng)的反轉(zhuǎn)電壓,Vth是snapback之后的集電極電壓最小值)與集電極元胞長(zhǎng)度的關(guān)系。其中橫坐標(biāo)Collector Cell Length為集電極元胞長(zhǎng)度 L。，Conventional RC 指常規(guī)結(jié)構(gòu)，Conventional RC-1GBT 指常規(guī) RC-1GBT，ProposedRC-1GBT 指本發(fā)明新型 RC-1GBT。圖7是器件反向特性曲線以及電流線插圖。其中橫坐標(biāo)Colector Voltage為集電極電壓V。,縱坐標(biāo)Colector Current為集電極電流I。，Activated n-p_n指受激活的n-p-rio圖8以P集電極10摻雜濃度為變量，考察正向壓降和關(guān)斷損耗之間的平衡關(guān)系。其中橫坐標(biāo)Forward Voltage為正向壓降VF,縱坐標(biāo)Turn-Off Lose為關(guān)斷損耗EQFF。圖中ProposedRC-1GBT 為新型 RC-1GBT，Conventional RC-1GBT 為常規(guī) RC-1GBT。
圖9是鉗位感性負(fù)載下的關(guān)斷電流波形圖和功率損耗波形圖，點(diǎn)P、Q、R在圖8中顯示。圖中橫坐標(biāo)T ime s為時(shí)間，縱坐標(biāo)Co 11 ec tor current為集電極電流,縱坐標(biāo)Power為功率,Proposed RC-1GBT at P表示本發(fā)明新型RC-1GBT工作在P點(diǎn)，Conventional RC-1GBTat Q表示常規(guī)RC-1GBT工作在Q點(diǎn)，F(xiàn)S-1GBT at R表示FS-1GBT工作在R點(diǎn)。圖10是新型器件與常規(guī)器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)表，耐壓均為1200V。
具體實(shí)施例方式—種無snapback效應(yīng)的逆導(dǎo)型絕緣柵雙極晶體管,其結(jié)構(gòu)如圖2所示,包括金屬化發(fā)射極1、場(chǎng)氧化層2、多晶硅柵電極3、柵氧化層、N+源區(qū)4、P體區(qū)5、N-漂移區(qū)6、N緩沖層8、N集電區(qū)9、P集電區(qū)10和金屬化集電極12 ；P體區(qū)5位于N-漂移區(qū)6頂部，N+源區(qū)4位于P體區(qū)5中，柵氧化層位于N+源區(qū)4、P體區(qū)5和N-漂移區(qū)6的表面，多晶硅柵電極3位于柵氧化層表面，金屬化發(fā)射極I覆蓋N+源區(qū)4和P體區(qū)5的剩余表面，金屬化發(fā)射極I與多晶硅柵電極3之間是場(chǎng)氧化層2。N-漂移區(qū)6的下表面具有相互接觸的P浮空 區(qū)7和N緩沖層8，P浮空區(qū)7和金屬化集電極12之間是N集電區(qū)9，N緩沖層8和金屬化集電極12之間是P集電區(qū)10，N集電區(qū)9和P集電區(qū)10被相互隔離；N集電區(qū)9與N-漂移區(qū)6部分接觸，接觸寬度尺寸為L(zhǎng)gap ;金屬化集電極12內(nèi)部具有一個(gè)氧化層11，氧化層11將金屬化集電極12隔離成兩個(gè)部分，其中一部分金屬化集電極12只與N集電區(qū)9接觸，另一部分金屬化集電極12只與P集電區(qū)10接觸。結(jié)構(gòu)上，本發(fā)明提供的無snapback效應(yīng)的RC-1GBT (以下簡(jiǎn)稱新結(jié)構(gòu))比常規(guī)RC-1GBT多了一個(gè)P浮空區(qū)7，該P(yáng)浮空區(qū)7引入集電極元胞的N集電區(qū)9和N緩沖層8之間，工藝上需多一道掩模板以實(shí)現(xiàn)。P浮空區(qū)7的摻雜濃度不能高于1. 5X1016cm_3，以避免增加漏電流，降低耐壓。新結(jié)構(gòu)正向?qū)〞r(shí)的等效電路見圖3 (a)，P浮空區(qū)7起到電子勢(shì)壘的作用，同時(shí)減小了 N集電區(qū)9元胞長(zhǎng)度及其有效面積，從而大大提高集電極短路電阻Res,抑制snapback效應(yīng)。當(dāng)電壓逐漸增加時(shí)，常規(guī)RC-1GBT結(jié)構(gòu)由于N緩沖層8層降低了 P集電區(qū)10的發(fā)射效率，只有當(dāng)電壓增加到一定程度時(shí)，P集電區(qū)10才開始導(dǎo)通并向N-漂移區(qū)6注入空穴。而發(fā)明提供的無snapback效應(yīng)的RC-1GBT由于P浮空區(qū)7上方?jīng)]有N緩沖層8層，發(fā)射效率較高，所以會(huì)比P集電區(qū)10更早開始工作，在電壓較低時(shí)即能通過電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)降低N-漂移區(qū)6的電阻，由此消除snapback效應(yīng)。在反向工作時(shí)，發(fā)明提供的無snapback效應(yīng)的RC-1GBT中由N集電區(qū)9、P浮空區(qū)7和N-漂移區(qū)6構(gòu)成的寄生三極管開啟提供電流通路(N集電區(qū)9作為發(fā)射極工作)，由P體區(qū)5、N集電區(qū)9、P浮空區(qū)7和N-漂移區(qū)6構(gòu)成的PNPN四層結(jié)構(gòu)形成正反饋結(jié)構(gòu)的兩個(gè)寄生晶體管，即圖3 (b)等效電路圖中的Q3管和Q4管，通過正反饋降低了反向?qū)〞r(shí)的導(dǎo)通電阻，這些有助于集成的快恢復(fù)二極管實(shí)現(xiàn)較低的開態(tài)電壓和快速關(guān)斷。用數(shù)學(xué)軟件對(duì)新結(jié)構(gòu)和常規(guī)RC-1GBT進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，在相同的元胞尺寸和耐壓要求下進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如下器件的正向特性曲線如圖4所示，其中綠色曲線為常規(guī)RC-1GBT，紅色曲線為新結(jié)構(gòu)，實(shí)心點(diǎn)和空心點(diǎn)分別表示測(cè)試條件在25°C和零下40°C，載流子壽命為IOy S。常規(guī)器件的正向特性曲線有很明顯的轉(zhuǎn)折，即snapback效應(yīng)。A點(diǎn)為器件從單極模式變?yōu)殡p極模式的臨界點(diǎn)，A點(diǎn)之下電壓從零開始逐漸增加時(shí)，電流密度很小，P集電區(qū)10由于受N緩沖層8層限制了發(fā)射效率而未開始發(fā)射空穴，電流通路只經(jīng)由N集電區(qū)9至金屬化集電極12，器件的工作狀態(tài)相當(dāng)于一個(gè)單極器件MOS管，稱為單極模式。當(dāng)電壓達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)，P集電區(qū)10開始向N-漂移區(qū)6注入空穴，通過電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)降低漂移區(qū)電阻，導(dǎo)致曲線AB段的負(fù)阻效應(yīng)。新結(jié)構(gòu)正向特性曲線沒有轉(zhuǎn)折，證明其P浮空區(qū)7的結(jié)構(gòu)消除了 snapback效應(yīng)。隨著溫度的降低，閾值電壓Vt上升，臨界點(diǎn)電壓增大。而新結(jié)構(gòu)即使在零下40°C時(shí)，正向曲線也沒有出現(xiàn)snapback效應(yīng)。新結(jié)構(gòu)消除snapback效應(yīng)的一個(gè)因素,是其較短的集電區(qū)9元胞大大提高了集電極電阻，在相同的電流密度時(shí)得到比常規(guī)RC-1GBT高很多的電壓，使器件在電流密度較低時(shí)就進(jìn)入雙極模式，C點(diǎn)為新器件從單極模式變?yōu)殡p極模式的臨界點(diǎn)。Rcs, _和R ,n 分別為常規(guī)RC-1GBT和新結(jié)構(gòu)的集電極短路電阻，通過圖10列出的結(jié)構(gòu)參數(shù)，我們可以估算得漂移區(qū)電阻和MOS溝道電阻之和為0.6 Q-cm2，Rcs,new=2. 18 Q -cm2, t匕Rcs,con(0. 18 Q -cm2)大 12 倍。器件電流線如圖5所示，圖中相鄰兩條電流線之間的電勢(shì)差為0.1V。圖a和圖b分別為常規(guī)RC-1GBT工作在圖4所示的A點(diǎn)(單極模式)下和B點(diǎn)(雙極模式)下?？梢钥闯龀Ｒ?guī)器件工作在A點(diǎn)，電流密度較小時(shí)，P集電極10并無電流經(jīng)過。而在B點(diǎn)處P集電 極10有電流通路，相比A點(diǎn)電流密度增大，電壓反而減小。圖c和圖d為新結(jié)構(gòu)工作在圖4所示的C點(diǎn)(單極模式)下和D點(diǎn)(雙極模式)下。在C點(diǎn)處，電流密度較小時(shí)，P浮空區(qū)7無電流通路，起到電子勢(shì)壘的作用，降低N集電區(qū)9的有效面積，增大集電極短路電阻。當(dāng)電流密度增大至D點(diǎn)時(shí)，由N集電區(qū)9、P浮空區(qū)7和N-漂移區(qū)6構(gòu)成的npn晶體管開啟形成電流通路，使器件更早地進(jìn)入雙極模式工作，消除snapback效應(yīng)。圖6 揭示了 A Vsb (=Vsb-Vh, Vsb 是 snapback 效應(yīng)的轉(zhuǎn)折電壓，Vh 是 snapback 效應(yīng)發(fā)生后的集電極電壓最小值)與集電極元胞長(zhǎng)度L。的關(guān)系，圖中N集電區(qū)9和P集電區(qū)10的區(qū)域比為1/3，載流子壽命為101^，溫度為251。綠色曲線為常規(guī)RC-1GBT，紅、藍(lán)、紫色曲線分別為新結(jié)構(gòu)的Lgap (見圖1)為4iim、12iim、16iim時(shí),可以得出當(dāng)新結(jié)構(gòu)Lgap=4 y m時(shí)，A Vsb=OV,即完全消除snapback效應(yīng)。新結(jié)構(gòu)在反向?qū)ㄏ碌拈_態(tài)電壓如圖7所示，溫度為25°C。載流子壽命分別為Iii s、5ii s、IOii s、IOOii S，開態(tài)電壓均小于1. 0V。從圖7中的電流線插圖可以得知，這是由于N集電區(qū)9、P浮空區(qū)7和N-漂移區(qū)6構(gòu)成的寄生晶體管的開啟，形成正反饋效應(yīng)所導(dǎo)致的反向開態(tài)電壓的降低?？疾煺驂航岛完P(guān)斷損耗之間的平衡關(guān)系，如圖8所示，以P集電區(qū)10的摻雜濃度為變量，載流子壽命IOii S，溫度25°C。在關(guān)斷狀態(tài)下仿真，器件關(guān)斷時(shí)的正向電流密度為100A/cm2，線電壓為600V。紅色曲線為新結(jié)構(gòu)，綠色曲線為常規(guī)RC-1GBT，紫色曲線為單向?qū)↖GBT。從圖中可以明顯看出，新結(jié)構(gòu)在正向電壓降和關(guān)斷損耗之間取得了更好的平衡。在正向壓降同為1. 44V時(shí)，新結(jié)構(gòu)的關(guān)斷損耗比常規(guī)結(jié)構(gòu)減小20%，更遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單向IGBT結(jié)構(gòu)。從圖9可以得到三種器件相對(duì)應(yīng)的的關(guān)斷電流波形圖和功率損耗波形圖，在鉗位感性負(fù)載下仿真測(cè)試，載流子壽命IOy S，溫度25°C，結(jié)果表明新結(jié)構(gòu)的關(guān)斷時(shí)間比常規(guī)結(jié)構(gòu)減小了 27%，這是由于其寄生的兩個(gè)三極管(如圖3所示，Q3，Q4)形成的正反饋效應(yīng)降低了反向?qū)〞r(shí)的導(dǎo)通電阻，使得集成的快恢復(fù)二極管實(shí)現(xiàn)較低的開態(tài)電壓和快速關(guān)斷。
權(quán)利要求
1.一種無snapback效應(yīng)的逆導(dǎo)型絕緣柵雙極晶體管，包括金屬化發(fā)射極(I)、場(chǎng)氧化層(2)、多晶硅柵電極(3)、柵氧化層、N+源區(qū)(4)、P體區(qū)(5)、N-漂移區(qū)(6)、N緩沖層(8)、N 集電區(qū)(9)、P集電區(qū)(10)和金屬化集電極(12) ;P體區(qū)(5)位于N-漂移區(qū)(6)頂部，N+源區(qū)(4)位于P體區(qū)(5)中，柵氧化層位于N+源區(qū)(4)、P體區(qū)(5)和N-漂移區(qū)(6)的表面， 多晶硅柵電極(3)位于柵氧化層表面，金屬化發(fā)射極(I)覆蓋N+源區(qū)(4)和P體區(qū)(5)的剩余表面，金屬化發(fā)射極(I)與多晶硅柵電極(3)之間是場(chǎng)氧化層(2) ;N-漂移區(qū)(6)的下表面具有相互接觸的P浮空區(qū)(7)和N緩沖層(8)，P浮空區(qū)(7)和金屬化集電極(12)之間是N集電區(qū)(9)，N緩沖層(8)和金屬化集電極(12)之間是P集電區(qū)(10)，N集電區(qū)(9)和P 集電區(qū)(10)被相互隔離；N集電區(qū)(9)與N-漂移區(qū)(6)部分接觸，接觸寬度尺寸為L(zhǎng)gap ;金屬化集電極(12)內(nèi)部具有一個(gè)氧化層(11)，氧化層(11)將金屬化集電極(12)隔離成兩個(gè)部分，其中一部分金屬化集電極(12)只與N集電區(qū)(9)接觸，另一部分金屬化集電極(12) 只與P集電區(qū)(10)接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無snapback效應(yīng)的逆導(dǎo)型絕緣柵雙極晶體管，其特征在于， 所述P浮空區(qū)7的具體實(shí)現(xiàn)方法為離子注入技術(shù)或擴(kuò)散技術(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無snapback效應(yīng)的逆導(dǎo)型絕緣柵雙極晶體管，其特征在于， 所述P浮空區(qū)7濃度、P浮空區(qū)7結(jié)深Xp、N緩沖層8濃度、N緩沖層8結(jié)深Xn和N集電區(qū) (9)與N-漂移區(qū)(6)的接觸寬度尺寸Lgap可供優(yōu)化。
全文摘要
一種無snapback效應(yīng)的逆導(dǎo)型絕緣柵雙極晶體管，屬于半導(dǎo)體功率器件技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明在常規(guī)RC-IGBT的在N集電區(qū)(9)和N緩沖區(qū)(8)之間引入一個(gè)P浮空區(qū)(7)，以消除其snapback效應(yīng)，降低器件的關(guān)斷損耗。新結(jié)構(gòu)減小了N集電區(qū)(9)元胞長(zhǎng)度及其有效面積，提高了集電極短路電阻，且P浮空區(qū)(7)的發(fā)射效率較P集電區(qū)(10)高，通過電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)降低N-漂移區(qū)(6)電阻，由此消除snapback效應(yīng)。在反向工作時(shí)，由N-漂移區(qū)(6)、P浮空區(qū)(7)、N集電區(qū)(9)構(gòu)成的寄生晶體管開啟，提供電流通路，與P體區(qū)(5)形成PNPN四層結(jié)構(gòu)的正反饋，降低了器件反向?qū)〞r(shí)的導(dǎo)通電阻，實(shí)現(xiàn)了較低的開態(tài)電壓和快速關(guān)斷。
文檔編號(hào)H01L29/739GK103022089SQ201210203150
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月19日
發(fā)明者陳萬軍, 蔣華平, 章晉漢, 張波 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)