一种具有超结的rb-igbt的制作方法
【专利摘要】本发明属于功率半导体技术领域，特别涉及一种具有超结的RB?IGBT。本发明相对于传统结构，主要提出了在漂移区中设置超结结构和增加集电极槽，由于超结结构的存在，使得其纵向电场近似为矩形分布。传统NPT结构由于不存在超结结构，其纵向电场近似为三角形分布。所以在耐压相同的情况下，新器件所需厚度更薄，导通压降更低。新器件在反向耐压状态下，由于集电极槽的存在，第一N型层被全耗尽，而不会在P型集电极层和第一N型层形成的PN结处提前击穿，保证了与正向耐压对称的反向耐压值。本发明的有益效果为，能够双向耐压相对于传统结构，本发明具有更高速度和更低功耗的优点，需要更少的元器件构成双向开关。
【专利说明】
一种具有超结的RB-1GBT
技术领域
[0001]本发明属于功率半导体技术领域，涉及一种具有超结的RB-1GBT(ReverseBlocking-1nsulated Gate Bipolar Transistor，反向阻断绝缘棚.双极型晶体管)。
【背景技术】
[0002]RB-1GBT是一种具有反向阻断能力的新型功率半导体器件，正反向均可耐压。由两个RB-1GBT反并联即可构成一个双向开关，可对双向流动的电流进行控制。与传统由两个普通IGBT和两个快恢复二极管构成的双向开关相比，在功率相当的情况下，由RB-1GBT构成的双向开关不需要额外的快恢复二极管，通态损耗较低，并且可以节省元器件的个数。因此，RB-1GBT比较适合应用于矩阵变换器、交流斩波器等直接AC/AC变换装置及电流型变换器。
[0003]传统的RB-1GBT使用NPT(Non-Punch-Through)结构，如图1所示。NPT结构的RB-1GBT并没有采用现如今最为受欢迎的FS(Field Stop)层，原因是掺杂浓度较高的FS层与P型阳极形成的PN结在反向阻断时会提前击穿，这是RB-1GBT所不希望出现的。这就使NPT结构的RB-1GBT实现高耐压时，其漂移区非常的厚，导通压降过大;关断时需要抽取和复合大量的非平衡载流子，导致电流拖尾现象严重，关断损耗增加。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种具有超结的RB-1GBT。
[0005]本发明的技术方案是:一种具有超结的RB-1GBT，包括集电极结构、耐压区、发射极结构和栅极结构，其中耐压区位于集电极结构之上，发射极结构和栅极结构位于耐压区之上；
[0006]所述集电极结构包括P型集电极层I和位于P型集电极层I上表面的第一N型层2;
[0007]所述耐压区包括N型漂移区51，所述N型漂移区51位于第一 N型层2上表面；
[0008]所述发射极结构包括位于耐压区上表面的第二 N型层6和位于第二 N型层6上表面的P型阱区7，所述P型阱区7上层具有相互独立的N型发射极区8和P型体接触区9;所述N型发射极区8和P型体接触区9的共同引出端为发射极；
[0009]其特征在于，所述集电极结构还包括集电极槽，所述集电极槽与P型集电极层I和第一 N型层2水平并列设置，集电极槽的侧面与P型集电极层I和第一 N型层2的侧面接触，且集电极槽的结深大于或等于P型集电极层I和第一 N型层2的结深之和;所述P型集电极层I和集电极槽的共同引出端为集电极;所述集电极槽由第一导电材料31和第一绝缘介质41构成，第一导电材料31位于第一绝缘介质41之中；所述耐压区中包括P型柱52，所述P型柱52与N型漂移区51形成超结结构或半超结结构。
[0010]进一步的，所述栅极结构为沟槽栅，所述沟槽栅由第二绝缘介质42和位于第二绝缘介质42之中的第二导电材料41构成;所述第二导电材料41的引出端为栅极;所述沟槽栅从表面垂直穿过P型阱区7与第二N型层6，沟槽栅的侧面与第二N型层6、P型阱区7和N型发射极区8的侧面接触。
[0011]进一步的，所述P型柱52的上表面与沟槽栅下表面连接，P型柱52的下表面与集电极槽的上表面连接;同时N型漂移区51、集电极层I和第一N型层2位于第二N型层6下方。
[0012]进一步的，所述P型柱区52的上表面与第二N型层6下表面连接，P型柱52的下表面与集电极槽的上表面连接;同时N型柱区51、集电极层I和第一N型层2位沟槽栅下方，且沟槽栅的水平宽度小于N型柱区的水平宽度。
[0013]进一步的，所述P型柱52的上表面与沟槽栅下表面连接，且位于P型柱位于集电极槽的上方，P型柱与集电极槽之间仍为N型漂移区；同时集电极层I和第一N型层2位于第二N型层6下方。
[0014]进一步的，所述集电极槽位于沟槽栅的下方，所述P型柱52的上表面与第二N型层6下表面连接，且其底部位置高于集电极槽顶部位置；同时集电极层I和第一N型层2位于P型柱52下方。
[0015]进一步的，所述栅极结构为平面栅，所述平面栅由第二绝缘介质42和位于第二绝缘介质42上表面的第二导电材料32构成;所述第二导电材料32的引出端为栅极;所述第二绝缘介质42位于N型漂移区、第二N型层6、P型阱区7和部分N型发射极区8上表面;发射极结构位于P型柱52上方。
[0016]进一步的，所述P型柱52的上表面与位于发射极下方的第二N型层6的下表面连接；同时集电极层I和第一 N型层2位于平面栅下方。
[0017]进一步的，所述P型柱52的下表面延伸至与集电极槽的上表面连接。
[0018]本发明的有益效果为，相对于传统结构，本发明具有高速度和低功耗的优点，需要更少的元器件构成双向开关。
【附图说明】
[0019]图1为传统的NPT结构RB-1GBT结构示意图；
[0020]图2为实施例1的结构示意图；
[0021]图3为实施例2的结构示意图；
[0022]图4为实施例3的结构示意图；
[0023]图5为实施例4的结构示意图；
[0024]图6为实施例5的结构示意图；
[0025]图7为实施例6的结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案:
[0027]实施例1
[0028]如图2所述，本例为沟槽栅RB-1GBT，包括阳极结构、耐压区、阴极结构和沟槽栅，其中耐压区位于阳极结构之上，阴极结构和栅极结构位于耐压区之上；
[0029]所述阳极结构包括P型阳极层I和位于P型阳极层I上表面的第一 N型层2;
[0030]所述耐压区包括N型漂移区51，所述N型漂移区51位于第一 N型层2上表面；
[0031]所述阴极结构包括位于N型漂移区51上表面的第二 N型层6和位于第二 N型层6上表面的P型阱区7，所述P型阱区7上层具有相互独立的N型阴极区8和P型体接触区9;所述N型阴极区8和P型体接触区9的共同引出端为阴极；
[0032]所述沟槽栅由第二绝缘介质42和位于第二绝缘介质42之中的第二导电材料41构成;所述第二导电材料41的引出端为栅极;所述沟槽栅的结深大于或等于第二N型层6与P型阱区7的结深之和，沟槽栅的侧面与第二N型层6、P型阱区7和N型阴极区8的侧面接触其特征在于，所述阳极结构还包括阳极槽，所述阳极槽与P型阳极层I和第一 N型层2并列设置，阳极槽的侧面与P型阳极层I和第一 N型层2的侧面接触，且阳极槽的结深大于或等于P型阳极层I和第一N型层2的结深之和;所述P型阳极层I和阳极槽的共同引出端为阳极;所述阳极槽由第一导电材料31和第一绝缘介质41构成，第一导电材料31位于第一绝缘介质41之中；
[0033]所述耐压区中还包括P型柱52，所述P型柱52与N型漂移区51并列设置并形成超结结构;所述P型柱52的上表面与第二 N型层6的下表面连接，P型柱52的下表面与阳极槽的上表面连接。
[0034]本例的工作原理为:
[0035]新器件在正向耐压状态下，由于超结结构的存在，使得其纵向电场近似为矩形分布。传统NPT结构由于不存在超结结构，其纵向电场近似为三角形分布。所以在耐压相同的情况下，新器件所需厚度更薄，导通压降更低。新器件在反向耐压状态下，由于阳极槽的存在，第一 N型层2被全耗尽，而不会在P型阳极层I和第一 N型层2形成的PN结处提前击穿，保证了与正向耐压对称的反向耐压值。新器件在关断时，由于超结结构的存在，耗尽区不但会纵向扩展，同时也会横向扩展，所以耐压区内存储的载流子将被较快的抽取。传统NPT结构耗尽区只有纵向扩展，耐压区内的载流子抽取的较慢，有很长的拖尾电流，关断损耗较大。
[0036]实施例2
[0037]如图3所示，本例的基本结构与实施例1相同，不同的地方是P型柱52的上表面与第二N型层6连接，并且阳极槽和沟槽栅错开。与实施例1相比，本例具有较小的米勒电容，开关特性较好。
[0038]实施例3
[0039]如图4所示，本例的基本结构与实施例1相同，不同的地方是P型柱52的结深小于漂移的结深，与实施例1相比，本例具有较简单的制作工艺。
[0040]实施例4
[0041]如图5所示，本例的基本结构与实施例2相同，不同的地方是P型柱52的结深小于漂移的结深，与实施例1相比，本例具有较简单的制作工艺。
[0042]实施例5
[0043]如图6所示，本例为平面栅结构的RB-1GBT器件，包括阳极结构、耐压区、阴极结构和平面栅，其中耐压区位于阳极结构之上，阴极结构和栅极结构位于耐压区之上；
[0044]所述阳极结构包括P型阳极层I和位于P型阳极层I上表面的第一 N型层2;
[0045]所述耐压区包括N型漂移区51，所述N型漂移区51位于第一 N型层2上表面；
[0046]所述阴极结构包括位于N型漂移区51上表面的第二 N型层6和位于第二 N型层6上表面的P型阱区7，所述P型阱区7上层具有相互独立的N型阴极区8和P型体接触区9;所述N型阴极区8和P型体接触区9的共同引出端为阴极；
[0047]所述平面栅由第二绝缘介质42和位于第二绝缘介质42上表面的第二导电材料32构成;所述第二导电材料的引出端为栅极;所述第二绝缘介质42位于N型漂移区、第二N型层6、P型阱区7和部分N型阴极区8上表面；
[0048]所述耐压区中还包括P型柱52，所述P型柱52与N型漂移区51并列设置并形成超结结构;所述P型柱52的上表面与第二 N型层6的下表面连接，P型柱52的下表面与阳极槽的上表面连接。
[0049]本例的工作原理为:
[0050]本例的工作原理与实施例1类似，都是利用超结结构实现较高的正反向耐压值和较低的关断损耗，利用阳极槽耗尽第一 N型层2，实现反向耐压。
[0051 ] 实施例6
[0052]如图7所示，本例的基本结构与实施例5相同，不同的地方是P型柱52的结深小于漂移的结深，与实施例5相比，本例具有较简单的制作工艺。
【主权项】
1.一种具有超结的RB-1GBT，包括集电极结构、耐压区、发射极结构和栅极结构，其中耐压区位于集电极结构之上，发射极结构和栅极结构位于耐压区之上； 所述集电极结构包括P型集电极层(I)和位于P型集电极层(I)上表面的第一 N型层(2); 所述耐压区包括N型漂移区(51)，所述N型漂移区(51)位于第一 N型层(2)上表面； 所述发射极结构包括位于耐压区上表面的第二 N型层(6)和位于第二 N型层(6)上表面的P型阱区(7)，所述P型阱区(7)上层具有相互独立的N型发射极区(8)和P型体接触区(9);所述N型发射极区(8)和P型体接触区(9)的共同引出端为发射极； 其特征在于，所述集电极结构还包括集电极槽，所述集电极槽与P型集电极层(I)和第一N型层(2)水平并列设置，集电极槽的侧面与P型集电极层(I)和第一 N型层(2)的侧面接触，且集电极槽的结深大于或等于P型集电极层(I)和第一 N型层(2)的结深之和;所述P型集电极层(I)和集电极槽的共同引出端为集电极;所述集电极槽由第一导电材料(31)和第一绝缘介质(41)构成，第一导电材料(31)位于第一绝缘介质(41)之中；所述耐压区中包括P型柱(52)，所述P型柱(52)与N型漂移区(51)形成超结结构或半超结结构。2.根据权利要求1所述的一种具有超结的RB-1GBT，其特征在于，所述栅极结构为沟槽栅，所述沟槽栅由第二绝缘介质(42)和位于第二绝缘介质(42)之中的第二导电材料(41)构成;所述第二导电材料(41)的引出端为栅极;所述沟槽栅从表面垂直穿过P型阱区(7)与第二N型层(6)，沟槽栅的侧面与第二 N型层(6)、P型阱区(7)和N型发射极区(8)的侧面接触。3.根据权利要求2所述的一种具有超结的RB-1GBT，其特征在于，所述P型柱(52)的上表面与沟槽栅下表面连接，P型柱(52)的下表面与集电极槽的上表面连接；同时N型漂移区(51)、集电极层(I)和第一 N型层(2)位于第二 N型层(6)下方。4.根据权利要求2所述的一种具有超结的RB-1GBT，其特征在于，所述P型柱区(52)的上表面与第二N型层(6)下表面连接，P型柱(52)的下表面与集电极槽的上表面连接；同时N型柱区(51)、集电极层(I)和第一 N型层(2)位沟槽栅下方，且沟槽栅的水平宽度小于N型柱区的水平宽度。5.根据权利要求2所述的一种具有超结的RB-1GBT，其特征在于，所述P型柱(52)的上表面与沟槽栅下表面连接，且位于P型柱位于集电极槽的上方，P型柱与集电极槽之间仍为N型漂移区；同时集电极层(I)和第一N型层(2)位于第二N型层(6)下方。6.根据权利要求2所述的一种具有超结的RB-1GBT，其特征在于，所述集电极槽位于沟槽栅的下方，所述P型柱(52)的上表面与第二 N型层(6)下表面连接，且其底部位置高于集电极槽顶部位置;同时集电极层(I)和第一N型层(2)位于P型柱(52)下方。7.根据权利要求1所述的一种具有超结的RB-1GBT，其特征在于，所述栅极结构为平面栅，所述平面栅由第二绝缘介质(42)和位于第二绝缘介质(42)上表面的第二导电材料(32)构成;所述第二导电材料(32)的引出端为栅极;所述第二绝缘介质(42)位于N型漂移区、第二 N型层(6)、P型阱区(7)和部分N型发射极区(8)上表面;发射极结构位于P型柱(52)上方。8.根据权利要求7所述的一种具有超结的RB-1GBT，其特征在于，所述P型柱(52)的上表面与位于发射极下方的第二N型层(6)的下表面连接；同时集电极层(I)和第一N型层(2)位于平面栅下方。9.根据权利要求8所述的一种具有超结的RB-1GBT，其特征在于，所述P型柱(52)的下表面延伸至与集电极槽的上表面连接。
【文档编号】H01L29/739GK105932056SQ201610513921
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年7月1日
【发明人】罗小蓉, 黄琳华, 周坤, 邓高强, 张波
【申请人】电子科技大学