本發(fā)明涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，尤其涉及一種絕緣柵雙極晶體管。

背景技術(shù)：

絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)以其低通態(tài)壓降、高耐壓、驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)單、易并聯(lián)等優(yōu)點(diǎn)廣泛地應(yīng)用在各類電力電子系統(tǒng)中，是目前高壓功率器件領(lǐng)域核心器件之一。為了實(shí)現(xiàn)器件的最佳性能，需要盡可能的實(shí)現(xiàn)器件各項(xiàng)參數(shù)接近設(shè)計(jì)極限，實(shí)際器件設(shè)計(jì)中，由于各項(xiàng)參數(shù)特性相互制約，必須遵循折中原則，選擇相對(duì)最佳值。通常很難在某項(xiàng)參數(shù)得到優(yōu)化同時(shí)，其它參數(shù)同時(shí)也實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。這對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。

Sumitomo等人提出一種采用柵極部分變窄結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的結(jié)構(gòu)，稱為partially narrow mesa IGBT(PNM-IGBT)，這種器件采用柵極結(jié)構(gòu)底部區(qū)域橫向展寬的方法，在局部可以形成納米級(jí)寬度的導(dǎo)電溝道，這樣在器件正向?qū)〞r(shí)，當(dāng)相鄰柵極結(jié)構(gòu)變窄區(qū)域接近納米級(jí)寬度的導(dǎo)電溝道時(shí)，形成的反型層來(lái)阻擋空穴的流動(dòng)，由于反型層極高的摻雜濃度，在正向?qū)〞r(shí)阻擋的幾乎全部的空穴流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)極佳的電導(dǎo)調(diào)制特性，因此該結(jié)構(gòu)的IGBT器件可以獲得低至接近理論極限的導(dǎo)通壓降能力。

然而，目前采用PNM結(jié)構(gòu)雖然阻擋了絕大部分的空穴載流子，使得IGBT器件能夠獲得接近理論極限的導(dǎo)通壓降能力，但是如圖1所示在器件關(guān)斷時(shí)，漂移區(qū)聚集了大量的過(guò)剩載流子101，由于耗盡層的作用，這些過(guò)剩載流子被掃到接近于器件集電極底部，需要通過(guò)緩慢的復(fù)合作用才能消失，所以當(dāng)PNM結(jié)構(gòu)的IGBT正向壓降特性接近理論極限的同時(shí)，其關(guān)斷時(shí)間大幅度增加，從而導(dǎo)致關(guān)斷損耗的大幅增加。因此影響了器件的關(guān)斷特性。

也就是說(shuō)，現(xiàn)有技術(shù)中的PNM-IGBT器件，存在未耗盡區(qū)域的載流子排出慢，故關(guān)斷速度慢的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明通過(guò)提供一種絕緣柵雙極晶體管，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的PNM-IGBT器件，存在的未耗盡區(qū)域的載流子排出慢，故關(guān)斷速度慢的技術(shù)問(wèn)題。

一方面，為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

一種絕緣柵雙極晶體管，其特征在于，包括：

襯底；

位于襯底的柵極、發(fā)射極和集電極；其中，所述集電極和所述發(fā)射極分別位于所述襯底的兩端；所述柵極包括窄部和展寬部，所述展寬部位于所述柵極靠近所述集電極一側(cè)；

超結(jié)結(jié)構(gòu)，位于所述襯底上靠近所述集電極一側(cè)，以在所述晶體管關(guān)斷時(shí)，通過(guò)所述超結(jié)結(jié)構(gòu)耗盡堆積在所述集電極側(cè)的過(guò)剩載流子。

可選的，所述超結(jié)結(jié)構(gòu)連接所述集電極和所述展寬部。

可選的，所述超結(jié)結(jié)構(gòu)為交替設(shè)置的多根P型立柱和多根N型立柱；其中，每相鄰兩根P型立柱之間的區(qū)域?yàn)橐桓鵑型立柱。

可選的，所述P型立柱的摻雜濃度等于所述N型立柱的摻雜濃度。

可選的，所述P型立柱的寬度等于所述N型立柱的寬度。

可選的，所述襯底的一端設(shè)置有第一阱區(qū)和位于所述第一阱區(qū)表面的第二阱區(qū)；所述第二阱區(qū)為發(fā)射極區(qū)；所述襯底的另一端設(shè)置有集電極區(qū)；所述集電極區(qū)與所述第一阱區(qū)的摻雜類型均為第一摻雜類型；所述第二阱區(qū)的摻雜類型為與所述第一摻雜類型不同的第二摻雜類型。

可選的，所述第一摻雜類型為N型，所述第二摻雜類型為P型；或者，所述第一摻雜類型為P型，所述第二摻雜類型為N型。

可選的，所述第二阱區(qū)表面有發(fā)射極接觸；所述集電極區(qū)表面有集電極接觸。

可選的，所述展寬部位于所述第一阱區(qū)和所述超結(jié)結(jié)構(gòu)之間。

本申請(qǐng)實(shí)施例中提供的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

本申請(qǐng)實(shí)施例提供的絕緣柵雙極晶體管，在襯底的靠近集電極一側(cè)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)，在晶體管關(guān)斷時(shí)，由于耗盡層的展寬作用，大量載流子在電場(chǎng)作用下迅速被掃到所述超結(jié)結(jié)構(gòu)區(qū)域，并通超結(jié)結(jié)構(gòu)快速掃出器件，有效縮短拖尾電流時(shí)間，減小關(guān)斷時(shí)間。進(jìn)一步，由于所述超結(jié)結(jié)構(gòu)的平板電場(chǎng)分布，還能提升器件的耐壓特性，且不會(huì)對(duì)器件正向?qū)▔航祹?lái)負(fù)面影響。另外，所述超結(jié)結(jié)構(gòu)形成在集電極一側(cè)，不需要貫穿整個(gè)器件漂移區(qū)，在工藝上也易于實(shí)現(xiàn)。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為背景技術(shù)中絕緣柵雙極晶體管的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本申請(qǐng)實(shí)施例中絕緣柵雙極晶體管的結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

本申請(qǐng)實(shí)施例通過(guò)提供一種絕緣柵雙極晶體管，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的IGBT器件，存在的未耗盡區(qū)域的載流子排出慢，故關(guān)斷速度慢的技術(shù)問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)了有效縮短拖尾電流時(shí)間，減小關(guān)斷時(shí)間的技術(shù)效果。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本申請(qǐng)實(shí)施例提供技術(shù)方案的總體思路如下：

本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N絕緣柵雙極晶體管，包括：

襯底；

位于襯底的柵極、發(fā)射極和集電極；其中，所述集電極和所述發(fā)射極分別位于所述襯底的兩端；所述柵極包括窄部和展寬部，所述展寬部位于所述柵極靠近所述集電極一側(cè)；

超結(jié)結(jié)構(gòu)，位于所述襯底上靠近所述集電極一側(cè)，以在所述晶體管關(guān)斷時(shí)，通過(guò)所述超結(jié)結(jié)構(gòu)耗盡堆積在所述集電極側(cè)的過(guò)剩載流子。

本申請(qǐng)實(shí)施例提供的絕緣柵雙極晶體管，在襯底的靠近集電極一側(cè)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)，在晶體管關(guān)斷時(shí)，由于耗盡層的展寬作用，大量載流子在電場(chǎng)作用下迅速被掃到所述超結(jié)結(jié)構(gòu)區(qū)域，并通超結(jié)結(jié)構(gòu)快速掃出器件，有效縮短拖尾電流時(shí)間，減小關(guān)斷時(shí)間。進(jìn)一步，由于所述超結(jié)結(jié)構(gòu)的平板電場(chǎng)分布，還能提升器件的耐壓特性，且不會(huì)對(duì)器件正向?qū)▔航祹?lái)負(fù)面影響。另外，所述超結(jié)結(jié)構(gòu)形成在集電極一側(cè)，不需要貫穿整個(gè)器件漂移區(qū)，在工藝上也易于實(shí)現(xiàn)。

為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合具體的實(shí)施方式對(duì)上述技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明實(shí)施例以及實(shí)施例中的具體特征是對(duì)本申請(qǐng)技術(shù)方案的詳細(xì)的說(shuō)明，而不是對(duì)本申請(qǐng)技術(shù)方案的限定，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)實(shí)施例以及實(shí)施例中的技術(shù)特征可以相互組合。

在本實(shí)施例中，提供了一種絕緣柵雙極晶體管，請(qǐng)參考圖2，如圖2所示，所述晶體管包括：

襯底1；

位于襯底的柵極2、發(fā)射極3和集電極4；其中，所述集電極4和所述發(fā)射極3分別位于所述襯底1的兩端；所述柵極2包括窄部21和展寬部22，所述展寬部22位于所述柵極2靠近所述集電極4一側(cè)；

超結(jié)結(jié)構(gòu)5，位于所述襯底1上靠近所述集電極4一側(cè)，以在所述晶體管關(guān)斷時(shí)，通過(guò)所述超結(jié)結(jié)構(gòu)5耗盡堆積在所述集電極4側(cè)的過(guò)剩載流子。

下面結(jié)合圖2，分別介紹本實(shí)施例提供的絕緣柵雙極晶體管提高器件關(guān)斷速度的原理和結(jié)構(gòu)。

首先，介紹所述絕緣柵雙極晶體管提高器件關(guān)斷速度的原理。

IGBT器件工作在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部存儲(chǔ)了大量載流子，故在關(guān)斷過(guò)程時(shí)，就會(huì)存在大量載流子排出的過(guò)程，在耗盡層展寬的作用下，大量載流子由于電場(chǎng)作用如圖1中的圓點(diǎn)所示，被推到器件接近底部集電極4附近位置，本申請(qǐng)中的PNM-IGBT器件，在集電極側(cè)形成了超結(jié)結(jié)構(gòu)5，由于電荷平衡原理，超結(jié)結(jié)構(gòu)5在縱向及橫向同時(shí)形成耗盡區(qū)擴(kuò)展，這樣能夠快速的掃出積累在器件集電極底部的過(guò)剩載流子，該作用時(shí)間相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中載流子在底部區(qū)域的緩慢復(fù)合作用是非?？斓?，所以可以有效的縮短拖尾電流的時(shí)間，減小關(guān)斷時(shí)間，從而解決PNM-IGBT器件在導(dǎo)通壓降接近理論極限的同時(shí)，動(dòng)態(tài)參數(shù)發(fā)生退化的問(wèn)題，從而全面提升器件的各項(xiàng)參數(shù)能力。

接下來(lái)，介紹所述絕緣柵雙極晶體管的結(jié)構(gòu)。

在本申請(qǐng)實(shí)施例中，考慮到工藝實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)便性，可以設(shè)置所述超結(jié)結(jié)構(gòu)5連接所述集電極4和所述展寬部22，以便于從集電極4側(cè)注入形成所述超結(jié)結(jié)構(gòu)5。

當(dāng)如圖2所示設(shè)置有FS場(chǎng)截止層201時(shí)，可以設(shè)置所述超結(jié)結(jié)構(gòu)5連接所述集電極4和所述FS場(chǎng)截止層22。

當(dāng)然，在具體實(shí)施過(guò)程中，設(shè)置所述超結(jié)結(jié)構(gòu)5位于所述集電極4一側(cè)即可，不用限制超結(jié)結(jié)構(gòu)5必須與所述展寬部22連接。

具體來(lái)講，由于PNM-IGBT器件本身在加工工藝中會(huì)增加場(chǎng)截止緩沖層(Field Stop，F(xiàn)S層)及背面注入等多步背面工藝，所以利用器件背面加工工藝，增加超結(jié)的制備工藝，就可以實(shí)現(xiàn)所述超結(jié)結(jié)構(gòu)5。

具體來(lái)講，所述超結(jié)結(jié)構(gòu)5為交替設(shè)置的多根P型立柱和多根N型立柱；其中，每相鄰兩根P型立柱之間的區(qū)域?yàn)橐桓鵑型立柱。也可以說(shuō)，每相鄰兩根N型立柱之間的區(qū)域?yàn)橐桓鵓型立柱。

較優(yōu)的，所述P型立柱的摻雜濃度等于所述N型立柱的摻雜濃度。所述P型立柱的寬度等于所述N型立柱的寬度。以保證所述超結(jié)結(jié)構(gòu)5各區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度相等，提高載流子排出效率的同時(shí)，不影響器件工作特性。

需要說(shuō)明的是，超結(jié)結(jié)構(gòu)5的摻雜濃度和超結(jié)柱寬度，可以依據(jù)工藝情況進(jìn)行和器件實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行選擇，能達(dá)到電荷平衡即可。一般來(lái)講，摻雜濃度高時(shí)關(guān)斷快，但較易擊穿，摻雜濃度低時(shí)關(guān)斷相對(duì)慢，但不易擊穿。

較優(yōu)的，可以設(shè)置所述超結(jié)結(jié)構(gòu)5的厚度h為所述集電極4和所述發(fā)射極3之間的漂移區(qū)厚度的1/3。

在本申請(qǐng)實(shí)施例中，如圖2所示，所述襯底1的一端設(shè)置有第一阱區(qū)6和位于所述第一阱區(qū)6表面的第二阱區(qū)；所述第二阱區(qū)即為發(fā)射極3的區(qū)域；

所述襯底的另一端設(shè)置有集電極區(qū)；所述集電極區(qū)與所述第一阱區(qū)6的摻雜類型均為第一摻雜類型；所述第二阱區(qū)的摻雜類型為與所述第一摻雜類型不同的第二摻雜類型。

在具體實(shí)施過(guò)程中，所述第一摻雜類型為N型，所述第二摻雜類型為P型；或者，所述第一摻雜類型為P型，所述第二摻雜類型為N型。

進(jìn)一步，所述第二阱區(qū)表面有發(fā)射極接觸7；所述集電極4區(qū)表面有集電極接觸8。所述發(fā)射極接觸7和所述集電極接觸8可以為金屬或多晶硅。

進(jìn)一步，所述展寬部22位于所述第一阱區(qū)6和所述超結(jié)結(jié)構(gòu)5之間。

具體來(lái)講，所述絕緣柵雙極晶體管通過(guò)在底端集電極4側(cè)設(shè)置超結(jié)結(jié)構(gòu)5，利用超結(jié)結(jié)構(gòu)快速耗盡的特性，能夠在器件關(guān)斷后，將堆積在底端集電極4側(cè)的過(guò)剩載流子的快速耗盡，實(shí)現(xiàn)IGBT器件快速關(guān)斷的效果。同時(shí)，采用該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的器件，因?yàn)橹恍鑼?shí)現(xiàn)部分超結(jié)結(jié)構(gòu)，不用貫穿整個(gè)漂移區(qū)，工藝實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。此外，本發(fā)明提出的新型IGBT器件結(jié)構(gòu)，在保留PNM-IGBT器件原有的優(yōu)異導(dǎo)通正向壓降的同時(shí)，其關(guān)斷損耗、反向耐壓能力均得到了提高。實(shí)現(xiàn)了器件各項(xiàng)綜合特性的全面提升，在器件各項(xiàng)參數(shù)得到優(yōu)化同時(shí)，沒(méi)有犧牲其它參數(shù)特性，是一種極佳的IGBT結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

上述本申請(qǐng)實(shí)施例中的技術(shù)方案，至少具有如下的技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

本申請(qǐng)實(shí)施例提供的絕緣柵雙極晶體管，在襯底的靠近集電極一側(cè)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)，在晶體管關(guān)斷時(shí)，由于耗盡層的展寬作用，大量載流子在電場(chǎng)作用下迅速被掃到所述超結(jié)結(jié)構(gòu)區(qū)域，并通超結(jié)結(jié)構(gòu)快速掃出器件，有效縮短拖尾電流時(shí)間，減小關(guān)斷時(shí)間。進(jìn)一步，由于所述超結(jié)結(jié)構(gòu)的平板電場(chǎng)分布，還能提升器件的耐壓特性，且不會(huì)對(duì)器件正向?qū)▔航祹?lái)負(fù)面影響。另外，所述超結(jié)結(jié)構(gòu)形成在集電極一側(cè)，不需要貫穿整個(gè)器件漂移區(qū)，在工藝上也易于實(shí)現(xiàn)。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。