一种基于隧穿效应的光控IGBT实现方法及结构技术

本发明专利技术涉及半导体器件设计领域，针对现有技术存在的问题，本发明专利技术提供一种光控IGBT实现方法及装置。采用激光脉冲控制栅极下方半导体材料中导电沟道的形成，控制IGBT的通断，用于解决IGBT的绝缘隔离及状态转换时间长的问题。本发明专利技术在IGBT 的栅极区底面SiO2层上方制备一层用于导电透光的光控层；栅极外圈层顶层生成致密金属层并在其上连接引线连接到IGBT封装壳体栅极外电极；内圈层通过所述导电的光控层与外圈层连接；当激光脉冲辐照IGBT栅极，即激光脉冲辐照光控层的内圈层时，使栅极下方P区宽度受到极大地压缩，在隧穿效应作用下，使N

【技术实现步骤摘要】
一种基于隧穿效应的光控IGBT实现方法及结构
本专利技术涉及半导体器件设计领域，尤其是一种基于隧穿效应的光控IGBT实现方法及结构。
技术介绍
目前，IGBT均设计为电压控制器件(图1)，栅极为金属电极，在栅极和源极之间施加足够高的正向驱动电压信号，在栅极下方的P区形成一个反型层，即N型导通沟道，经由这个通道，电子从源极区的N+区流向N-漂移区，直至邻近漏极的N区，使IGBT进入导通状态。当栅极与源极之间的正向驱动电压消失，栅极与源极同电位或低于源极电位时，IGBT截止。因此，目前IGBT的导通是由栅极驱动电压信号在栅极下方的P区形成N型导通沟道控制的，需要通过外部控制电路为栅极馈送正向电压信号。IGBT由截止状态向导通状态转换的时间受到驱动电路输出电流和IGBT栅极结构电容的制约，由于IGBT结构的限制，对额定工作电流数百安培以上的大功率IGBT而言，栅极结构电容较大，IGBT的状态转换时间通常在数十纳秒甚至数百纳秒以上。通过对IGBT栅极结构进行特殊设计并采用激光辐照方法触发，可以解决IGBT的绝缘隔离及状态转换时间慢的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种基于隧穿效应的光控IGBT实现方法及结构。通过设计特殊的栅极结构(增加光控层，并将栅极用于电极引出连接的致密金属层面积缩小至外圈层的范围)并使其通过限流电阻和稳压模块与IGBT源极、IGBT漏极连通，采用激光脉冲控制栅极下方导电沟道的形成，控制IGBT的通断，用于解决IGBT的绝缘隔离及状态转换时间长的问题。本专利技术采用的技术方案如下：一种基于隧穿效应的光控IGBT实现方法包括：步骤1：在IGBT的栅极区底面SiO2层正上方制备一层用于导电透光的光控层；栅极区除过内圈层外的部分为外圈层；栅极外圈层部分在光控层上制备致密金属层；致密金属层通过引线连接到IGBT封装壳体栅极引出电极；内圈层区表面涂覆对800nm-1300nm波长的光透过率大于等于90％的保护层；步骤2：在IGBT栅极与IGBT漏、源极之间设置限流电阻和稳压模块；IGBT栅极与输出电压为-5V至-15V的负极性输出稳压模块连接，通过稳压模块输出的负极性电压限定IGBT栅极电位，使稳态条件下IGBT栅极电位保持在阻断电位；限流电阻一端与IGBT漏极连接，另一端与稳压模块输入端连接；稳压模块输出端与IGBT栅极连接，稳压模块地线端与IGBT源极连接；当IGBT栅极与源极直接短接且IGBT栅极与漏级之间无限流电阻时，IGBT栅极与源极同电位；步骤3：当激光脉冲辐照IGBT栅极，即激光脉冲辐照光控层的内圈层时，在栅极下方的N+、P、N-区产生大量光生载流子，使P区宽度受到极大地压缩，在隧穿效应作用下，使N+、N-区载流子能够渡越通过P区，从而使IGBT导通；当IGBT栅极区内圈层未接收激光脉冲辐照时，IGBT关断；其中外圈层区域指的是仅覆盖IGBT栅极下方的部分N-区的区域；内圈层指的是覆盖IGBT栅极区下方的P区及其两侧的部分N-及N+型半导体区的区域；外圈层与内圈层面积之和应小于等于栅极区底层SiO2面积，即栅极区外圈层和内圈层应确保其与Si层之间有可靠的SiO2绝缘。进一步的，所述光控层是低电阻率硅层或者金属栅网层；所述低电阻率硅层制备过程是：通过使IGBT源极侧栅极区的Si层氧化生成约1μm-3μm厚度的SiO2层后，采用脱氧还原工艺在SiO2层上端面形成100nm到500nm厚度的硅层，再对形成的硅层进行掺杂，从而在SiO2层上生长一层电阻率低于104欧姆/厘米的低电阻率硅层；然后在外圈层区沉淀金属使其形成致密金属层连接引出电极；所述金属栅网层制备过程是：通过使IGBT源极侧栅极区的Si层氧化生成约1μm-3μm厚度的SiO2层后，在SiO2层上首先采用磁控溅射或丝网印刷工艺生成大于等于1μm(推荐值为2μm-5μm)厚度的的金属栅网，然后在外圈层区淀积金属使其形成致密金属层连接引出电极。进一步的，所述IGBT为圆形胞元结构时，源极侧栅极设计为圆形结构，栅极电极区中心部分为内圈层，栅极的SiO2层、光控层为圆形，致密金属层为环形结构，外圈层在栅极外边缘，是沿栅极边界的一个狭窄环形结构；源极为与栅极区同心的环形结构，源极区下方为半导体材料层(通常为Si层)，源极为致密金属结构，推荐采用成熟的金属-半导体欧姆接触工艺制备。源极区与栅极区之间为宽度大于等于1μm(推荐值为10μm-200μm)的隔离间隙，推荐该隔离间隙采用SiO2覆盖。进一步的，所述IGBT为矩形胞元结构；源极侧栅极设计为矩形结构，栅极电极区中心部分为内圈层，栅极的SiO2层、光控层为矩形结构；外圈层(致密金属层)为方框形结构，在栅极外边缘，是沿栅极边界的一个狭窄方框形结构。源极为与栅极区中心对称的环形结构。源极区与栅极区之间为宽度大于等于1μm(推荐值为10μm-200μm)的隔离间隙，推荐该间隙采用SiO2覆盖。进一步的，所述输出电压为-5V至-15V的负极性输出稳压模块采用单独的硅片加工，或与IGBT在同一硅片上加工。进一步的，所述限流电阻与稳压模块在同一硅片上加工，或采用外置分立器件。进一步的，所述基于隧穿效应的光控IGBT实现方法的光控IGBT结构包括：部分区域可透射激光的IGBT栅极结构，用于使栅极区电极下方N-、P、N+半导体材料在激光辐照时形成隧穿区，进而形成导电通道；在IGBT的栅极区底面SiO2层上制备一层用于导电透光的光控层；栅极区边缘部分为外圈层；栅极外圈层光控层上制备致密金属层；在致密金属层焊接引线连接到IGBT封装壳体的栅极外电极；在IGBT栅极与IGBT漏、源极之间设置限流电阻和稳压模块；IGBT栅极与输出电压为-5V至-15V的负极性输出稳压模块连接，通过稳压模块输出的负极性电压限定IGBT栅极电位，使稳态条件下IGBT栅极电位保持在阻断电位；限流电阻一端与IGBT漏极连接，另一端与稳压模块输入端连接；稳压模块输出端与IGBT栅极连接，稳压模块地线端与IGBT源极连接；当IGBT栅极与源极直接短接且IGBT栅极与漏级之间无限流电阻时，IGBT栅极与源极同电位；其中外圈层区域指的是仅覆盖IGBT栅极下方的部分N-区区域；内圈层指的是覆盖IGBT栅极区下方的P区及其两侧的部分N-、N+型半导体区的区域；外圈层与内圈层面积之和应小于等于栅极区底层SiO2面积，即栅极区外圈层和内圈层应确保其与Si层之间有可靠的SiO2绝缘。进一步的，当激光脉冲辐照IGBT栅极，即激光脉冲辐照光控层的内圈层时，在栅极下方的N+、P、N-区产生大量光生载流子，使P区宽度受到极大地压缩，在隧穿效应作用下，使N+、N-区载流子能够渡越通过P区，从而使IGBT导通；在未使用激光脉冲辐照IGBT栅极时，当IGBT加电时，源极、漏极之间存在电压差，通过限流电阻和稳压模块构成的组件输出的负极性电压信号钳制栅极电位使其低于源极电位，栅极区下方P型层将邻近的N型层隔离，IGBT处于关断状态；当栅极直接与源极短接，则当IGBT加电且栅极未受光照时，IGBT栅极与源极同电位，IGBT也能够处于关断状态。进一步的，所述IGBT为圆形胞元结构时，源极侧栅极设计为圆形结构，栅极电极区中心部分为内本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于隧穿效应的光控IGBT实现方法,其特征在于包括：步骤1：在IGBT的栅极区底面SiO2层正上方制备一层用于导电透光的光控层；栅极区除过内圈层外的部分为外圈层；栅极外圈层部分在光控层上制备致密金属层；致密金属层通过引线连接到IGBT封装壳体栅极引出电极；内圈层区表面涂覆对800nm‑1300nm波长的光透过率大于等于90％的保护层；步骤2：在IGBT栅极与IGBT漏、源极之间设置限流电阻和稳压模块；IGBT栅极与输出电压为‑5V至‑15V的负极性输出稳压模块连接，通过稳压模块输出的负极性电压限定IGBT栅极电位，使稳态条件下IGBT栅极电位保持在阻断电位；限流电阻一端与IGBT漏极连接，另一端与稳压模块输入端连接；稳压模块输出端与IGBT栅极连接，稳压模块地线端与IGBT源极连接；当IGBT栅极与源极直接短接且IGBT栅极与漏级之间无限流电阻时，IGBT栅极与源极同电位；步骤3：当激光脉冲辐照IGBT栅极，即激光脉冲辐照光控层的内圈层时，在栅极下方的N

【技术特征摘要】
1.一种基于隧穿效应的光控IGBT实现方法,其特征在于包括：步骤1：在IGBT的栅极区底面SiO2层正上方制备一层用于导电透光的光控层；栅极区除过内圈层外的部分为外圈层；栅极外圈层部分在光控层上制备致密金属层；致密金属层通过引线连接到IGBT封装壳体栅极引出电极；内圈层区表面涂覆对800nm-1300nm波长的光透过率大于等于90％的保护层；步骤2：在IGBT栅极与IGBT漏、源极之间设置限流电阻和稳压模块；IGBT栅极与输出电压为-5V至-15V的负极性输出稳压模块连接，通过稳压模块输出的负极性电压限定IGBT栅极电位，使稳态条件下IGBT栅极电位保持在阻断电位；限流电阻一端与IGBT漏极连接，另一端与稳压模块输入端连接；稳压模块输出端与IGBT栅极连接，稳压模块地线端与IGBT源极连接；当IGBT栅极与源极直接短接且IGBT栅极与漏级之间无限流电阻时，IGBT栅极与源极同电位；步骤3：当激光脉冲辐照IGBT栅极，即激光脉冲辐照光控层的内圈层时，在栅极下方的N+、P、N-区产生大量光生载流子，使P区宽度受到极大地压缩，在隧穿效应作用下，使N+、N-区载流子能够渡越通过P区，从而使IGBT导通；当IGBT栅极区内圈层未接收激光脉冲辐照时，IGBT关断；其中外圈层区域指的是仅覆盖IGBT栅极下方的部分N-区的区域；内圈层指的是覆盖IGBT栅极区下方的P区及其两侧的部分N-及N+型半导体区的区域；外圈层与内圈层面积之和应小于等于栅极区底层SiO2面积，即栅极区外圈层和内圈层应确保其与Si层之间有可靠的SiO2绝缘。2.根据权利要求1所述的一种基于隧穿效应的光控IGBT实现方法，其特征在于所述光控层是低电阻率硅层或者金属栅网层；所述低电阻率硅层制备过程是：通过使IGBT源极侧栅极区的Si层氧化生成约1μm-3μm厚度的SiO2层后，采用脱氧还原工艺在SiO2层上端面形成100nm到500nm厚度的硅层，再对形成的硅层进行掺杂，从而在SiO2层上生长一层电阻率低于104欧姆/厘米的低电阻率硅层；然后在外圈层区沉淀金属使其形成致密金属层连接引出电极；所述金属栅网层制备过程是：通过使IGBT源极侧栅极区的Si层氧化生成约1μm-3μm厚度的SiO2层后，在SiO2层上首先采用磁控溅射或丝网印刷工艺生成大于等于1μm厚度的的金属栅网，然后在外圈层区淀积金属使其形成致密金属层连接引出电极。3.根据权利要求1所述的一种基于隧穿效应的光控IGBT实现方法，其特征在于所述IGBT为圆形胞元结构时，源极侧栅极设计为圆形结构，栅极电极区中心部分为内圈层，栅极的SiO2层、光控层为圆形，外圈层为环形结构，在栅极外边缘，是沿栅极边界的一个狭窄环形结构；源极为与栅极区同心的环形结构，源极区下方为半导体材料层，源极为致密金属结构，推荐采用成熟的金属-半导体欧姆接触工艺制备；源极区与栅极区之间为宽度大于等于1μm的隔离间隙，该隔离间隙采用SiO2覆盖。4.根据权利要求1所述的一种基于隧穿效应的光控IGBT实现方法，其特征在于所述金属栅网厚度为2μm-5μm；所述隔离间隙宽度为10μm-200μm。5.根据权利要求1所述的一种基于隧穿效应的光控IGBT实现方法，其特征在于所述IGBT为矩形胞元结构；源极侧栅极设计为矩形结构，栅极电极区中心部分为内圈层，栅极的SiO2层、光控层为矩形结构，外圈层为方框形结构，在栅极外边缘，是沿栅极边界的一个狭窄方形结构；源极为...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵娟，李博婷，李洪涛，李波，黄宇鹏，张信，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院流体物理研究所，李博婷，
类型：发明
国别省市：四川,51