一种具有PN结接触的平面栅SJIGBT器件

一种具有pn结接触的平面栅sj igbt器件
技术领域
1.本发明属于功率半导体技术领域，具体涉及一种具有pn结接触的平面栅sj igbt器件。


背景技术：

2.绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)在被发明以后迅速成为了功率半导体器件的研究热门，igbt不仅具有场效应晶体管器件的电压控制、输入阻抗高、开关速度快、易驱动等优点，还具有双极型器件正向导通压降低的优点，因此成为了目前最重要的功率半导体器件之一。igbt主要围绕着其体区的优化、集电极结构的优化、表面结构的优化三个方面发展，其中体区的优化主要包括场截止(field stop，fs)技术、载流子存储(carrier stored，cs)技术、浮空p-body区，集电极结构的优化包括被动集电极结构和主动集电极结构，表面结构的优化主要由平面栅向槽栅的改进。这些技术的应用显著提升了igbt器件的动静态性能和可靠性，采用超结(super junction，sj)技术进一步优化igbt器件的击穿电压和导通电阻的折衷关系，并通过超结结构的p柱加快igbt器件关断过程中空穴的抽取，进一步提升igbt器件的动静态性能。相比于传统igbt器件，sj igbt器件可以在相同的耐压量级具有更低的关断损耗，但是随着igbt器件应用场景的不断发展，要求igbt器件具有更快的开关速度。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种具有pn结接触的平面栅sj igbt器件。本发明通过在平面栅sj igbt器件jfet区引入p型掺杂的p型环区，p型环区通过多晶硅的pn结与发射极金属连接，以此提高平面栅si igbt器件关断过程中空穴抽取速度，提高了平面栅sj igbt器件的开关速度，降低了器件的关断损耗。
4.为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种具有pn结接触的平面栅sj igbt器件，其元胞结构包括集电极金属1、p+集电区2、n型场截止层3、p柱4、n柱5、n型载流子存储层6、p型体区7、n+发射极8、多晶硅栅极9、p型环区10、栅氧11、p型多晶硅12、n型多晶硅13和发射极金属14；
5.所述集电极金属1、所述p+集电区2和所述n型场截止层3由下往上依次层叠；所述p柱4和所述n柱5位于所述n型场截止层3上，且所述p柱4位于所述n柱5两侧，形成超结结构；所述n型载流子存储层6位于所述p柱4和n柱5上；所述p型体区7位于所述n型载流子存储区6的顶层两侧，所述p型环区10位于两个所述p型体区7之间的所述n型载流子存储层6的顶层，所述p型体区7和所述p型环区10之间由所述n型载流子存储区6隔离；所述n+发射极8位于所述p型体区7的顶层；
6.所述栅氧11位于所述n+发射极8的第一部分、所述p型体区7的第一部分和所述n型载流子存储层6上，所述多晶硅栅极9位于所述栅氧11中，两个所述栅氧11通过由下至上依次层叠设置的所述p型多晶硅12和n型多晶硅13隔离，所述多晶硅栅极9通过栅氧11与其它
部分隔离；所述p型多晶硅12位于所述p型环区10上；所述p型环区10与所述发射极金属14通过所述p型多晶硅12和所述n型多晶硅13形成的pn结连接；所述发射极金属14位于所述n+发射极8的第二部分、所述p型体区7的第二部分、所述栅氧11和所述n型多晶硅13上；所述发射极金属14与所述p型体区7之间形成欧姆接触。
7.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
8.进一步的，所述p型多晶硅12和所述n型多晶硅13通过离子注入形成。
9.本发明的有益效果是：相比于传统的平面栅sj igbt结构，本发明所提供的一种具有pn结接触的平面栅sj igbt结构，在导通状态下，p型环区与发射极之间由多晶硅的pn结形成势垒，低的正向导通压降不足以使该pn结正向导通，因此不会影响器件的导通状态；阻断状态下，p型环区反偏，该pn结结构依然不会影响器件的阻断状态；关断过程中，随着集电极电压的上升，该pn结势垒降低，正向导通，为空穴的抽取提供了额外的通路，加快了漂移区载流子的抽取速度，提高了平面栅sj igbt器件的开关速度，降低了器件的关断损耗。
附图说明
10.图1为本发明实施例的一种具有pn结接触的平面栅sj igbt器件的结构示意图；
11.图2为传统平面栅sj igbt的结构示意图。
12.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
13.1为集电极金属，2为p+集电区，3为n场截止层，4为p柱，5为n柱，6为n型载流子存储层，7为p型体区，8为n+发射极，9为多晶硅栅极，10为p型环区，11为栅氧，12p型多晶硅，13为n型多晶硅，14为发射极金属。
具体实施方式
14.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
15.如图1所示，本发明第一实施例提供的一种具有pn结接触的平面栅sj igbt器件，其元胞结构包括集电极金属1、p+集电区2、n型场截止层3、p柱4、n柱5、n型载流子存储层6、p型体区7、n+发射极8、多晶硅栅极9、p型环区10、栅氧11、p型多晶硅12、n型多晶硅13和发射极金属14；
16.所述集电极金属1、所述p+集电区2和所述n型场截止层3由下往上依次层叠；所述p柱4和所述n柱5位于所述n型场截止层3上，且所述p柱4位于所述n柱5两侧，形成超结结构；所述n型载流子存储层6位于所述p柱4和n柱5上；所述p型体区7位于所述n型载流子存储区6的顶层两侧，所述p型环区10位于两个所述p型体区7之间的所述n型载流子存储层6的顶层，所述p型体区7和所述p型环区10之间由所述n型载流子存储区6隔离；所述n+发射极8位于所述p型体区7的顶层；
17.所述栅氧11位于所述n+发射极8的第一部分、所述p型体区7的第一部分和所述n型载流子存储层6上，所述多晶硅栅极9位于所述栅氧11中，两个所述栅氧11通过由下至上依次层叠设置的所述p型多晶硅12和n型多晶硅13隔离，所述多晶硅栅极9通过栅氧11与其它部分隔离；所述p型多晶硅12位于所述p型环区10上；所述p型环区10与所述发射极金属14通过所述p型多晶硅12和所述n型多晶硅13形成的pn结连接；所述发射极金属14位于所述n+发
射极8的第二部分、所述p型体区7的第二部分、所述栅氧11和所述n型多晶硅13上；所述发射极金属14与所述p型体区7之间形成欧姆接触。
18.本实施例的工作原理如下：
19.本发明提供的一种具有pn结接触的平面栅sj igbt器件，其关断状态连接方式为：发射极金属14接地，多晶硅栅极9接地，集电极金属1接高电位。其开启状态连接方式为：发射极金属14接地，多晶硅栅极9接高于阈值电压的栅开启电位，集电极金属1接高电位。
20.当器件处于导通状态下，p型环区与发射极之间由多晶硅的pn结形成势垒，低的正向导通压降不足以使该pn结正向导通，保证了器件阴极侧的载流子浓度，与传统的平面栅sj igbt结构(如图2所示)相比导通压降基本不变。
21.阻断状态下，p型环区反偏，多晶硅的pn结结构被p型环区所屏蔽，不会影响器件的阻断状态。
22.关断过程中，随着集电极电压的上升，该pn结势垒降低，正向导通，为空穴的抽取提供了额外的通路，加快了漂移区载流子的抽取速度，提高了平面栅sj igbt器件的开关速度，降低了器件的关断损耗。
23.综上所述，相对于传统的sj igbt，本发明对器件的表面结构进行了优化，在不影响器件的静态特性下，使器件的关断速度得到提高，减小器件的关断损耗。
24.可选地，所述p型多晶硅12和所述n型多晶硅13通过离子注入形成。
25.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
26.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
27.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
29.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不
必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
30.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。