具有变组分混合晶体发射区的抗闩锁igbt的利记博彩app
【专利摘要】具有变组分混合晶体发射区的抗闩锁IGBT，属于功率半导体器件【技术领域】。本发明基于常规IGBT结构，通过将发射区的纯硅材料变为组分渐变的混合晶体，形成禁带宽度缓变的发射区能带结构。该能带结构在不降低发射区与基区所形成PN结的内建电势的前提下，在发射区内形成发射区少子的加速电场，从而使发射区的少子扩散电流密度增加，基区向发射区的注入增强；而另一方面，发射区向基区的注入保持不变。因此，发射区、基区和漂移区构成的寄生晶体管的发射结注入效率降低，电流放大系数降低，使IGBT中的寄生晶闸管更难达到闩锁条件，这就提高了IGBT的临界闩锁电流，增加了IGBT的安全工作区，提高了IGBT的可靠性。
【专利说明】具有变组分混合晶体发射区的抗闩锁IGBT
【技术领域】
[0001]本发明属于功率半导体【技术领域】，涉及一种具有良好抗闩锁性能的IGBT器件。
【背景技术】
[0002]IGBT是功率半导体器件中具有代表性的一类器件，因其同时具有高耐压、低导通电阻、易驱动、开关速度快等优点，在开关电源、变频调速、逆变器等许多功率领域有重要的应用。闩锁问题是威胁IGBT可靠性的重要原因之一。
[0003]基本的IGBT结构及其等效电路如图1.1和图1.2所示，由图1.1看出，IGBT结构中包含了由N+发射区3、P型基区6、N-漂移区10和P+集电极区12构成的N-P-N-P的四层三结的晶闸管结构14。由图1.2的等效电路来解释IGBT发生闩锁的机制:当IGBT正常工作时，寄生晶闸管14不会开启，这是由于正常工作电流下N+发射区3和P型基区6形成的短路发射极结构保证了上层NPN管的发射结不发生导通(Inl>>IP1>>IP2)，IGBT电流受到栅极电压的控制，具有饱和特性；若由于某种原因使IGBT中的电流密度过大，过高的空穴电流流过N+发射区3下方的P型基区6( Ip2电流)，该电流在P型基区路径电阻Rp_b()dy上产生压降，若压降足够大则会使P型基区6与N+发射区3形成的PN结正偏，上层的NPN管进入放大区工作，并驱动下层的PNP管，PNP管开启后又反过来驱动上层NPN管，如此形成正反馈，再生反馈效应使得IGBT栅极失去对电流的控制能力，电流迅速增大，当电流增大到一定程度后，可能使IGBT器件过热烧毁，因此闩锁现象限制了 IGBT的最大安全工作电流。
[0004]IGBT发生闩锁的临界条件是:a NPN+ a pNp≥1，其中a NPN和a pNp分别是上层NPN管和下层PNP管的开基极电流增益；由该条件可以看出，要抑制寄生晶闸管的闩锁效应，就必须减小上层NPN管和下层PNP管的开基极电流增益，由于宽基区的下层PNP管在IGBT正常工作时需要传导导通态电流，减小其电流增益会增大IGBT的导通压降，而上层NPN通常不参与IGBT导通态电流的传导，因此最好是降低上层NPN管的电流增益。普遍的防止措施有:
(1)在IGBT的发射极N+区下方引入P+掺杂区2，以减小N+区3下方的P型基区6的路径电阻，以防止N+发射区3/P型基区6结发生正偏，但该方法有可能增加IGBT的阈值电压；
(2)降低上层NPN管的发射极注入效率，即降低NPN管发射区的掺杂浓度或降低NPN管发射区的禁带宽度，如专利(Frank Pfirsch, Semiconductor power component with a reducedparasitic bipolar transistor, US6531748B2, 2003-03-11)提出用窄禁带材料来制作 N+区。但是，这两种方法会使NPN管发射结PN结的正向导通压降降低，PN结容易正偏，寄生NPN管容易开启，这对于提高IGBT的抗闩锁能力是不利的。本发明提出:通过调节NPN管的N+发射区的能带，使得PN结势垒区的势垒高度不变的同时，在N+发射区内形成对空穴的加速场，从而增加了基区向发射区注入的少子电流，可以减小注入效率，进而降低NPN管的电流放大系数，达到增大临界闩锁电流的目的。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种具有变组分混合晶体发射区的抗闩锁IGBT，其核心思想是:基于常规IGBT结构，通过将发射区的纯硅材料变为组分渐变的混合晶体，形成禁带宽度缓变的发射区能带结构。该能带结构在不降低发射区与基区所形成PN结的内建电势的前提下，在发射区内形成发射区少子的加速电场，从而使发射区的少子扩散电流密度增加，基区向发射区的注入增强；而另一方面，发射区向基区的注入保持不变。因此，发射区、基区和漂移区构成的寄生晶体管的发射结注入效率降低，电流放大系数降低，使IGBT中的寄生晶闸管更难达到闩锁条件，这就提高了 IGBT的临界闩锁电流，增加了 IGBT的安全工作区，提高了IGBT的可靠性。
[0006]为实现本发明目的，采用的技术方案如下:
[0007]具有变组分混合晶体发射区的抗闩锁IGBT，其结构如图2所示，包括发射极结构、集电极结构、栅极结构和漂移区结构；所述发射极结构包括金属发射极1、重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区2、重掺杂第二导电类型半导体发射区4和第一导电类型半导体基区6，其中重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区2和重掺杂第二导电类型半导体发射区4相互独立地位于第一导电类型半导体基区6中，且重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区2和重掺杂第二导电类型半导体发射区4的表面均和金属发射极I相接触；所述集电极结构包括重掺杂第一导电类型半导体集电区12和金属集电极13，其中重掺杂第一导电类型半导体集电区12下表面与金属集电极13相接触；所述漂移区结构包括轻掺杂第二导电类型半导体漂移区10 ;所述栅极结构包括多晶硅栅电极7和栅氧化层8 ;所述漂移区结构位于所述发射极结构和所述集电极结构之间，其中:漂移区结构的轻掺杂第二导电类型半导体漂移区10背面与集电极结构的重掺杂第一导电类型半导体集电区12相接触，漂移区结构的轻掺杂第二导电类型半导体漂移区10正面与发射极结构的第一导电类型半导体基区6相接触；所述栅极结构的多晶硅栅电极7与重掺杂第二导电类型半导体发射区4、第一导电类型半导体基区6和轻掺杂第二导电类型半导体漂移区10三者之间隔着栅氧化层8，多晶硅栅电极7与金属发射极I之间填充绝缘介质层9。
[0008]所述重掺杂第二导电类型半导体发射区4的材料采用组分渐变的混合晶体材料，形成渐变的禁带宽度，且禁带宽度的渐变方式为:在器件的纵向方向上，从靠近金属发射极I的上表面到远离金属发射极I的下表面，构成重掺杂第二导电类型半导体发射区4的混合晶体材料的禁带宽度按逐渐增大。
[0009]本发明的工作原理:
[0010]为解释本发明的工作原理，以第一导电类型半导体材料为P型Si材料，变组分混合晶体材料为锗硅(SixGei_x，0〈x〈l)的IGBT器件为例进行说明。图3.1为常规硅(Si)材料IGBT的寄生NPN结构的发射区和基区PN结能带图，其发射区I和基区III具有相同的禁带宽度，在空间电荷区II中形成势垒，发射区I中的电子注入基区III所需克服的势垒高度QV1与基区III中的空穴注入发射区I所需克服的势垒高度qV2相等，注入效率主要由发射区I和基区III的掺杂浓度(或方块电阻)决定。已知NPN晶体管中发射区采用窄禁带宽度材料可以降低注入效率，其能带结构如图3.2所示，基区III中的空穴注入发射区I所需克服的势垒高度qV2小于发射区I中的电子注入基区III所需克服的势垒高度qVp因此基区III中的空穴注入发射区I变得更容易，因此NPN晶体管的注入效率降低。可以用窄禁带异质材料形成IGBT发射区来降低寄生NPN的发射结注入效率，但这种方法在降低注入效率的同时又会降低PN结势垒高度，这会导致PN结的正向导通压降降低，寄生NPN管在较小电流下的就会开启，这对抑制闩锁效应是不利的。本专利中采用变组分的Si和窄禁带半导体形成混合晶体来形成发射区I，混合晶体中Si的含量从靠近金属发射极的上表面到远离金属发射极的下表面逐渐增大，P型基区III仍采用Si，这就形成了如图3.3所示的能带结构。在冶金结处(混合晶体中远离金属发射极的下表面)材料组分为纯Si，因此，PN结势垒高度与图3.1中相同，不会产生寄生NPN管提前开启的问题；另一方面，距离冶金结越远，混合晶体中Si含量降低，禁带宽度逐渐变窄，小于Si的禁带宽度。若设整个混合晶体中掺杂均匀，则发射区I 一侧，导带底Ea应始终和费米能级Ef保持平行，因为费米能级Ef始终水平，所以导带底Eci也是水平的，于是禁带宽度逐渐变窄主要体现在价带顶Evi的变化上，价带顶Evi从冶金结处向发射区I 一侧逐渐上翘(图中仅为示意，不一定是均匀变化)，能带的变化意味着发射区I存在自建场E。根据半导体的能带理论，自建场E方向为能带图中较低的位置指向较高的位置，即由冶金结指向发射区I欧姆接触处，该电场对发射区I少子空穴起到加速作用，促进了冶金结处的空穴向该区的注入，从而降低了 NPN管的发射极注入效率，减小了寄生NPN管的电流放大系数a NPN，使闩锁条件a NPN+ a pNp ≥ I更难达到，因此抑制了闩锁的发生。
[0011]进一步地，本发明提供的具有变组分混合晶体发射区的抗闩锁IGBT中，所述组分渐变的混合晶体材料为硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗五中半导体材料中任意两种或多种的组合。
[0012]进一步地，本发明提供的具有变组分混合晶体发射区的抗闩锁IGBT可以采用体硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅等半导体材料制作。
[0013]进一步地，本发明提供的具有变组分混合晶体发射区的抗闩锁IGBT，其中所述栅极结构可以是平面栅结构或槽栅结构；所述集电极结构可以是透明阳极结构或者短路阳极结构；所述漂移区结构可以是穿通型或非穿通型漂移区结构。
[0014]本发明的有益效果表现在:
[0015]本发明是在常规IGBT结构基础上，提出采用组分渐变的混合晶体来制造发射区，使得寄生晶闸管结构中的上层NPN管开基极电流增益减小，在不影响IGBT正常工作特性的情况下，提高了 IGBT的抗闩锁能力，优化了 IGBT的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1.1是常规IGBT结构，其中14为寄生晶闸管结构。
图1.2为包含寄生效应的IGBT等效电路。
[0017]图2是本发明提出的具有变组分混合晶体IGBT元胞结构示意图，其中4为变组分混合晶体材料构成的发射区。
[0018]
[0019]图3.1为常规IGBT结构中N+发射区与P型基区的PN结能带结构图，其中N+发射区I和P型基区III均为Si材料，II为势垒区；
[0020]图3.2为具有窄禁带材料N+发射区的IGBT结构的N+发射区与P型基区的PN结能带结构图，其中N+发射区I采用了窄禁带半导体材料，P型基区III为Si材料，II为势垒区；
[0021]图3.3为本发明提出的具有变组分混合晶体发射区的IGBT结构中N+发射区与P型基区的PN结能带结构图，P型基区III为Si材料，N+发射区I采用变组分硅与窄禁带材料的混合晶体，II为势垒区。
[0022]图4是根据本发明原理提出的一种IGBT结构的具体实例，该实例中采用槽栅IGBT结构，并在漂移区10下方加入了 N型场阻挡层11。
【具体实施方式】
[0023]具有变组分混合晶体发射区的抗闩锁IGBT，其结构如图4所示，包括发射极结构、集电极结构、栅极结构和漂移区结构；所述发射极结构包括金属发射极1、P+欧姆接触区2、N+发射区4和P型基区6，其中P+欧姆接触区2和N+发射区4相互独立地位于P型基区6中，且P+欧姆接触区2和N+发射区4的表面均和金属发射极I相接触；所述集电极结构包括P+集电区12和金属集电极13，其中P+集电区12下表面与金属集电极13相接触；所述漂移区结构包括N-漂移区10，且N-漂移区10与P+集电区12之间具有一层N型电场阻止层11 ;所述栅极结构为槽栅结构，包括多晶硅栅电极7和栅氧化层8 ;所述漂移区结构位于所述发射极结构和所述集电极结构之间，其中:漂移区结构的N-漂移区10正面与发射极结构的P型基区6相接触；所述栅极结构的多晶硅栅电极7与N+发射区4、P型基区6和N-漂移区10三者之间隔着栅氧化层8，多晶硅栅电极7与金属发射极I之间填充绝缘介质层9。
[0024]所述N+发射区4的材料采用组分渐变的混合晶体材料，形成渐变的禁带宽度，且禁带宽度的渐变方式为:在器件的纵向方向上，从靠近金属发射极I的上表面到远离金属发射极I的下表面，构成N+发射区4的混合晶体材料的禁带宽度按逐渐增大。具体组分渐变的混合晶体材料为SixGei_x，在N+发射区4与P型基区6的冶金结处x=l，在N+发射区4与发射极金属电极I交界处x=0。N+发射区4的工艺实现方法为:采用化学气相外延技术，外延过程中不断调节混合气体氛围，以得到满足要求的外延层组分。
[0025]所述器件工艺过程可以沿用传统槽栅IGBT工艺过程，只需增加一个步骤，详细工艺步骤如下:
[0026](I)单晶硅准备，采用N型轻掺杂衬底材料作为IGBT漂移区；
[0027](2)通过气相外延方法外延一定厚度的混合晶体，在气相外延过程中，不断改变气体组分，以形成组分缓变的外延混合晶体；
[0028](3)背面磷注入，形成N型场阻挡层，退火并推阱；
[0029](4)正面硼注入，形成P型基区，退火并推阱；
[0030](5)在所述P型基区形成以后，后续工艺与常规槽栅IGBT相同，工艺步骤包括:进行槽刻蚀，栅氧化以及栅极多晶硅淀积，以形成栅电极和栅氧化层；N+发射区注入及推阱，P+欧姆接触注入及推阱；背面P+区注入及推阱，淀积钝化层、退火致密并光刻引线孔，淀积金属、反刻金属、钝化、光刻钝化孔等步骤。
[0031]在实施过程中可以根据具体情况，在基本结构不变的情况下，进行一定的变通设计，例如:
[0032](I)N+发射区混合晶体材料SixGei_x，X的变化规律可根据要求进行调整，取0到I之间的任意实数。
[0033](2)N+发射区混合晶体材料也可为其它可通过半导体工艺实现且具有本发明所述能带结构的材料，如:GaAs、AlGaAs、GaN> SiC等。
[0034](3) IGBT的栅电极可以为平面栅，也可为沟槽栅或凹槽栅。
[0035](4) IGBT的漂移区结构可以为穿通型，也可以为非穿通型。
[0036](5) IGBT的背面P+阳极可以为阳极短路结构、透明阳极结构等。
【权利要求】
1.具有变组分混合晶体发射区的抗闩锁IGBT，包括发射极结构、集电极结构、栅极结构和漂移区结构；所述发射极结构包括金属发射极(I)、重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区(2)、重掺杂第二导电类型半导体发射区(4)和第一导电类型半导体基区(6)，其中重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区(2)和重掺杂第二导电类型半导体发射区(4)相互独立地位于第一导电类型半导体基区(6)中，且重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区(2)和重掺杂第二导电类型半导体发射区(4)的表面均和金属发射极(I)相接触；所述集电极结构包括重掺杂第一导电类型半导体集电区(12)和金属集电极(13)，其中重掺杂第一导电类型半导体集电区(12)下表面与金属集电极(13)相接触；所述漂移区结构包括轻掺杂第二导电类型半导体漂移区(10);所述栅极结构包括多晶硅栅电极(7)和栅氧化层(8)；所述漂移区结构位于所述发射极结构和所述集电极结构之间，其中:漂移区结构的轻掺杂第二导电类型半导体漂移区(10)背面与集电极结构的重掺杂第一导电类型半导体集电区(12)相接触，漂移区结构的轻掺杂第二导电类型半导体漂移区(10)正面与发射极结构的第一导电类型半导体基区(6)相接触；所述栅极结构的多晶硅栅电极(7)与重掺杂第二导电类型半导体发射区(4)、第一导电类型半导体基区(6)和轻掺杂第二导电类型半导体漂移区(10)三者之间隔着栅氧化层(8)，多晶硅栅电极(7)与金属发射极(I)之间填充绝缘介质层(9); 所述重掺杂第二导电类型半导体发射区(4)的材料采用组分渐变的混合晶体材料，形成渐变的禁带宽度，且禁带宽度的渐变方式为:在器件的纵向方向上，从靠近金属发射极(I)的上表面到远离金属发射极(I)的下表面，构成重掺杂第二导电类型半导体发射区(4)的混合晶体材料的禁带宽度按逐渐增大。
2.根据权利要求1所述的具有变组分混合晶体发射区的抗闩锁IGBT，其特征在于，所述组分渐变的混合晶体材料为硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗五中半导体材料中任意两种或多种的组合。
3.根据权利要求1或2所述的具有变组分混合晶体发射区的抗闩锁IGBT，其特征在于，所述具有变组分混合晶体发射区的抗R锁IGBT采用体硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅等半导体材料制作。
4.根据权利要求1或2所述的具有变组分混合晶体发射区的抗闩锁IGBT，其特征在于，所述栅极结构是平面栅结构或槽栅结构。
5.根据权利要求1或2所述的具有变组分混合晶体发射区的抗闩锁IGBT，其特征在于，所述集电极结构是透明阳极结构或者短路阳极结构。
6.根据权利要求1或2所述的具有变组分混合晶体发射区的抗闩锁IGBT，其特征在于，所述漂移区结构是穿通型或非穿通型漂移区结构。
【文档编号】H01L29/06GK103441143SQ201310289169
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年7月10日 优先权日:2013年7月10日
【发明者】任敏, 宋询奕, 李果, 杨珏林, 张鹏, 吴明进, 顾鸿鸣, 李泽宏, 张金平, 张波 申请人:电子科技大学