一种具有异质结的超结逆导型IGBT

一种具有异质结的超结逆导型igbt
技术领域
1.本发明属于功率半导体技术领域，特别涉及一种具有异质结的超结逆导型igbt(绝缘栅双极型晶体管，insulated gate bipolar transistor，简称igbt)。


背景技术：

2.在igbt结构中引入超结结构可以改善其关断损耗，并且击穿电压与比导通电阻的折中关系也优于传统的igbt。超结逆导型igbt解决了传统超结igbt无法反向导通的问题，使得在系统中不需要外部集成续流二极管也可以续流。超结逆导型igbt在正向导通时存在单极型导电向双极型导电的转换，因此存在电压回跳现象，表现为iv曲线的snapback现象。snapback现象会带来逆导型igbt器件的一些可靠性问题，尤其是在逆导型igbt器件的并联应用中，该现象可能导致一些器件不能正常开启，而一些器件电流过大，器件内部的局部温度过高被烧毁，进而导致整个系统的失效。


技术实现要素：

3.本发明的目的，就是针对上述问题，提出一种具有异质结的超结逆导型igbt，消除snapback现象。
4.本发明的技术方案：一种具有异质结的超结逆导型igbt，其元胞结构包括集电极结构、耐压层结构、栅极结构和发射极结构，其中耐压层位于集电极结构之上，栅极结构位于耐压层之上，发射极结构位于耐压层之上；
5.所述集电极结构包括集电极金属1、第一绝缘介质层2以及第一p+集电极区3；所述集电极金属1引出端为集电极；所述第一绝缘介质层2位于集电极金属1中部上层，第一绝缘介质层2的上表面与耐压层及部分第一p+集电极区3接触；所述第一p+集电极区3位于集电极金属1上表面一端，第一p+集电极区3的上表面与耐压层接触；
6.所述耐压层结构包括第一n+场截止层4、n漂移区5、p漂移区6；所述第一n+场截止层4覆盖第一p+集电极区3的上表面，同时沿第一p+集电极区3的侧面向下延伸至与第一绝缘介质层2的上表面接触，第一n+场截止层4的上表面与n漂移区5的下表面接触；所述n漂移区5和第一n+场截止层4的侧面与p漂移区6的侧面接触，n漂移区5的上表面与发射极结构和栅极结构接触；p漂移区6的下表面与集电极金属1上表面接触并形成肖特基接触，p漂移区6的上表面与发射极结构接触；
7.所述栅极结构为沟槽栅，所述沟槽栅由第二绝缘介质层13及位于第二绝缘介质层13中的第一导电材料7构成；所述沟槽栅位于n漂移区5上表面一端并沿器件垂直方向延伸入n漂移区5中，第二绝缘介质13与发射极结构接触；所述第一导电材料7的引出端为栅极；
8.所述发射极结构包括第一p阱8、第二p阱9、n+发射极区10、第一p+体接触区11、第二p+体接触区12、发射极金属14；所述第一p阱8下表面与n漂移区5上表面接触，第一p阱8一侧的侧面与第二绝缘介质层13接触，第一p阱8另一侧的侧面与第二p阱9接触；所述第二p阱9的下表面与p漂移区6的上表面接触；所述n+发射极区10和第一p+体接触区11并列位于第
一p阱8的上层，且n+发射极区10与第二绝缘介质层13接触；所述第二p+体接触区12位于第二p阱9上表面并与第一p+体接触区11接触；所述发射极金属14下表面与n+发射极区10、第一p+体接触区11、第二p+体接触区12接触，发射极金属14引出端为发射极；
9.所述第一p+集电极区3、第一n+场截止层4、n漂移区5、第一p阱8、n+发射极区10以及第一p+体接触区11采用的材料为硅，而p漂移区6、第二p阱9以及第二p+体接触区12采用的材料为碳化硅。
10.本发明的有益效果为，本发明的异质结超结逆导型igbt消除了传统超结逆导型igbt正向导通时的snapback现象，并且反向恢复电荷可以有效降低。
附图说明
11.图1是本发明的无snapback的具有异质结的超结逆导型igbt示意图。
12.图2是传统超结rc-igbt示意图。
具体实施方式
13.下面结合附图对本发明进行详细描述
14.如图1所示为本发明的无snapback现象的超结逆导型igbt，图2为传统超结逆导型igbt示意图。在本发明中集电极金属1与sic-p漂移区6组成p型肖特基二极管。
15.正向耐压时，本发明结构的sic-p漂移区和n漂移区形成超结结构承受耐压，同时p型肖特基二极管，界面上有高电场存在，但是由于本发明的p型肖特基二极管为sic材料，禁带宽度高，其在耐压时产生的漏电流很低，因此对器件耐压的影响很小。
16.器件反向导通时，栅极关断，集电极为低电位，发射极为高电位。本发明结构中反向电流经发射极金属14、sic-p+体接触区12、sic-p阱9、sic-p漂移区6最后到集电极金属1，形成反向导通通路。由于本发明器件反向导通电流由p型肖特基二极管导通，而p型肖特基二极管为多子器件，因此本发明器件的反向恢复电荷很低。
17.正向导通时，栅极开启，集电极为高电位，发射极为低电位。本发明器件的电子从n+发射极区10经反型层沟道、n漂移区5在n+场截止层4积累，积累的电子数量足够多时，p+集电极区3与n+场截止层4形成的pn结开启，器件进入双极型导电模式。由于不存在单极型向双极型导电的过渡，因此正向导通时不会存在snapback现象。而传统超结逆导型igbt在反向导通时，电流经发射极金属12、n+发射极9、p+体接触区10、p阱区8、n漂移区5、n+场截止层4、n+集电极3、集电极金属1进行导通。正向导通时，当正向电压较小，电流经集电极金属1、n+集电极区3、n+场截止层4、n漂移区5、反型层沟道、n+发射极9、发射极金属12，这个阶段为单极型导电；随着正向电压的增大，流经集电极p+区上方的横向电流产生的横向压降使得p+集电极区2与场截止层4形成的pn结开启，大量空穴由p+集电极区2注入漂移区，发生电导调制，这个阶段为双极型导电。由于电导调制，器件的导通电阻急剧下降，正向导通曲线出现snapback。
18.因此，本发明结构可以有效消除正向导通时的snapback现象，并且反向恢复电荷可以有效降低、器件耐压也未受到影响。


技术特征：
1.一种具有异质结的超结逆导型igbt，其元胞结构包括集电极结构、耐压层结构、栅极结构和发射极结构，其中耐压层位于集电极结构之上，栅极结构位于耐压层之上，发射极结构位于耐压层之上；其特征在于，所述集电极结构包括集电极金属(1)、第一绝缘介质层(2)以及第一p+集电极区(3)；所述集电极金属(1)引出端为集电极；所述第一绝缘介质层(2)位于集电极金属(1)中部上层，第一绝缘介质层(2)的上表面与耐压层及部分第一p+集电极区(3)接触；所述第一p+集电极区(3)位于集电极金属(1)上表面一端，第一p+集电极区(3)的上表面与耐压层接触；所述耐压层结构包括第一n+场截止层(4)、n漂移区(5)、p漂移区(6)；所述第一n+场截止层(4)覆盖第一p+集电极区(3)的上表面，同时沿第一p+集电极区(3)的侧面向下延伸至与第一绝缘介质层(2)的上表面接触，第一n+场截止层(4)的上表面与n漂移区(5)的下表面接触；所述n漂移区(5)和第一n+场截止层(4)的侧面与p漂移区(6)的侧面接触，n漂移区(5)的上表面与发射极结构和栅极结构接触；p漂移区(6)的下表面与集电极金属(1)上表面接触并形成肖特基接触，p漂移区(6)的上表面与发射极结构接触；所述栅极结构为沟槽栅，所述沟槽栅由第二绝缘介质层(13)及位于第二绝缘介质层(13)中的第一导电材料(7)构成；所述沟槽栅位于n漂移区(5)上表面一端并沿器件垂直方向延伸入n漂移区(5)中，第二绝缘介质(13)与发射极结构接触；所述第一导电材料(7)的引出端为栅极；所述发射极结构包括第一p阱(8)、第二p阱(9)、n+发射极区(10)、第一p+体接触区(11)、第二p+体接触区(12)、发射极金属(14)；所述第一p阱(8)下表面与n漂移区(5)上表面接触，第一p阱(8)一侧的侧面与第二绝缘介质层(13)接触，第一p阱(8)另一侧的侧面与第二p阱(9)接触；所述第二p阱(9)的下表面与p漂移区(6)的上表面接触；所述n+发射极区(10)和第一p+体接触区(11)并列位于第一p阱(8)的上层，且n+发射极区(10)与第二绝缘介质层(13)接触；所述第二p+体接触区(12)位于第二p阱(9)上表面并与第一p+体接触区(11)接触；所述发射极金属(14)下表面与n+发射极区(10)、第一p+体接触区(11)、第二p+体接触区(12)接触，发射极金属(14)引出端为发射极；所述第一p+集电极区(3)、第一n+场截止层(4)、n漂移区(5)、第一p阱(8)、n+发射极区(10)以及第一p+体接触区(11)采用的材料为硅，而p漂移区(6)、第二p阱(9)以及第二p+体接触区(12)采用的材料为碳化硅。

技术总结
本发明属于功率半导体技术领域，特别涉及一种具有异质结的超结逆导型IGBT。本发明的异质结的超结逆导型IGBT，其元胞结构包括集电极结构、耐压层结构、栅极结构和发射极结构，相对于传统结构，首先本发明的集电极结构进行了改进，将绝缘介质设置在集电极金属中部，将集电极区完全设置在N漂移区下方，同时将另一侧的P漂移区及漂移区之上的P阱、P接触区都采用碳化硅制作，从而本发明的异质结超结逆导型IGBT消除了传统超结逆导型IGBT正向导通时的snapback现象，并且反向恢复电荷可以有效降低。低。低。


技术研发人员：陈万军 吴毅 夏云 孙瑞泽 刘超 张波
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2021.12.22
技术公布日：2022/3/29