一种实现栅极可控性增强的新型IGBT结构

本发明涉及半导体领域，具体涉及一种实现栅极可控性增强的新型igbt结构。

背景技术：

1、绝缘栅双极晶体管(insulate gate bipolar transistor，igbt)作为当今电力电子应用中的焦点元件，其器件特性一直在飞速迭代。然而随着igbt耐压、导通压降等静态特性近年来的不断发展，其静态特性优化已接近理论极限。因此，越来越多的研究人员转而对igbt的开关特性进行研究。

2、随着浮空p区igbt的发明与进一步研究，igbt的导通压降vce(on)与关断损耗eoff的折中关系得到了极大地改善。但同时，研究者也发现该结构由于浮空p区空穴的不断积累，导致电位升高，从而产生浮空p区流向栅极的位移电流，该电流的产生会导致栅极电压发生意料之外的变化，造成栅极电阻rg无法较好地调控igbt的集电极电压和电流的变化率dvce/dt和dic/dt，最终在系统中引发较为严重的电磁干扰emi噪声问题。因此解决浮空p区igbt的这一问题，已成为学者们的研究焦点。

技术实现思路

1、针对增加igbt的栅极可控性，进而改善器件emi噪声特性的需求，本发明提供了一种实现栅极可控性增强的新型igbt结构如图1所示。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种实现栅极可控性增强的新型igbt结构，其元胞结构包括：p型集电区(1)，n型缓冲层(2)和n型漂移区(3)，正面结构包含载流子存储层(4)、p型基区(5)、p+型发射区(6)和n+型发射区(7)、p型浮空区(8)、p型二极管区(9)和多晶硅n型二极管区(10)。发射区间有sio2氧化层(11)和多晶硅(12)构成的栅极。其中载流子存储层(4)、p型基区(5)、p+型发射区(6)和n+型发射区(7)构成主流区，在导通阶段提供主要电流通路；p型浮空区(8)、p型二极管区(9)和多晶硅n型二极管区(10)组成支流区，为空穴电流额外通路。

3、本发明的技术方案相对常规igbt结构，主要针对igbt的浮空p区结构进行改进。所述p型浮空区(8)上的p型二极管区(9)和多晶硅n型二极管区(10)构成pn钳位二极管，并通过欧姆接触连接发射极，从而将所述p型浮空区(8)在开启阶段钳位至低电位。

4、进一步地，改变p型浮空区(8)的深度，使其比沟槽栅深度稍大，从而改变所述结构在开启阶段聚集发射极侧的载流子分布，达到减小导通压降的效果。

5、本发明的有益效果为：本发明提供了一种实现栅极可控性增强的新型igbt结构，该结构在常规igbt结构的基础上，在p型浮空区上方添加钳位二极管。钳位二极管在器件开启阶段通过将p型浮空区钳位至低电位，从而抑制从p型浮空区流向栅极的位移电流，同时将影响密勒电容cgc的栅氧层等效电容转移至栅极-发射极电容cge中，降低了密勒电容，进而使栅极电阻对器件集电极-发射极电压有更好的可控性，并降低emi噪声。同时，在器件关断阶段，由于钳位二极管形成额外的空穴提取路径，基区空穴的提取速率得到了提升，从而提高关断时间，降低关断损耗。除此之外，改变igbt中浮空p区的深度，使导通时载流子分布向p基区下方集中，提高了导通压降。

技术特征：

1.一种实现栅极可控性增强的新型igbt结构，其元胞结构从下往上依次为：p型集电区(1)，n型缓冲层(2)和n型漂移区(3)，正面结构包含由载流子存储层(4)、p型基区(5)、p+型发射区(6)和n+型发射区(7)所组成的主流区，以及由p型浮空区(8)、p型二极管区(9)和多晶硅n型二极管区(10)所构成的支流区；发射区间有sio2氧化层(11)和多晶硅(12)构成的栅极。

2.根据权利要求1所述的实现栅极可控性增强的新型igbt结构，其特征在于，所述p型浮空区(8)上的p型二极管区(9)和多晶硅n型二极管区(10)构成pn钳位二极管，并连接发射极，从而将所述p型浮空区(8)在开启阶段钳位至低电位。

3.根据权利要求1所述的实现栅极可控性增强的新型igbt结构，其特征在于，所述p型浮空区(8)的深度需比沟槽栅深度稍大，从而减少所述结构在开启阶段支流区的载流子数，增加主流区的载流子数，达到降低导通压降的效果。

4.根据权利要求1所述的实现栅极可控性增强的新型igbt结构，其特征在于，所述多晶硅n型二极管区(10)需要高掺杂，使其与发射极金属形成欧姆接触，从而在关断阶段形成空穴通路。

技术总结
本发明提供了一种实现栅极可控性增强的新型IGBT结构，该结构在具有浮空P区的常规沟槽栅IGBT结构的基础上，在浮空P区上方添加钳位二极管，首先将浮空P区上方的场氧开槽，离子注入形成二极管的P+端，然后在开槽处沉积N+掺杂的多晶硅组成钳位二极管，最后将N+多晶硅连接器件发射极。钳位二极管在器件开启阶段通过将浮空P区钳位至低电位，从而降低了密勒电容并抑制从浮空P区流向栅极的反向栅极充电电流，进而使栅极电阻对器件集电极‑发射极电压有更好的可控性。同时，在器件关断阶段，由于钳位二极管形成额外的空穴提取路径，基区空穴的提取速率得到了提升，从而提高关断时间，减小拖尾电流，降低关断损耗。

技术研发人员：伍伟,喻明康,高崇兵
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13