功率半导体器件制造技术

本公开提供一种功率半导体器件，包括：从下至上依次设置的第一P型区、第一N型区、第二P型区和第二N型区，第二N型区嵌入第二P型区，第二N型区与第二P型区的顶表面共面，第二P型区包括：P基区以及位于P基区上方的第一子基区、第二子基区和第三子基区，第二子基区位于第二N型区下方且沿水平方向不超出第二N型区，第三子基区环绕第二子基区，第一子基区环绕第三子基区，第三子基区至少与第二N型区的侧部接触，P基区的掺杂浓度记为n0，第一子基区的掺杂浓度记为n1，第二子基区的掺杂浓度记为n2，第三子基区的掺杂浓度记为n3，满足：n2＞n1＞n3＞n0。可实现器件关断损耗与导通损耗的独立设计，增大器件设计灵活性。增大器件设计灵活性。增大器件设计灵活性。

【技术实现步骤摘要】
功率半导体器件


[0001]本公开属于电力电子
，具体涉及一种功率半导体器件。

技术介绍

[0002]门极换流晶闸管(Gate Commutated Thyristors，GCT)是电力电子领域中一种超大功率容量的半导体器件。IGCT器件具有功率容量大、通态损耗低、短路失效模式牢靠等特点，未来在电网领域具有广泛的应用前景。IGCT器件作为功率装置的核心器件，其中损耗特性对功率装置的能源传输效率息息相关。对于标准型IGCT器件，其损耗特性通常通过GCT芯片中pnp等效晶体管电流增益α1及npn等效晶体管电流增益α2进行调控。由于IGCT器件关断特性要求两个电流增益之和α1+α2必须满足近似等于1，因此在一定范围内为满足GCT高关断能力要求，GCT关断损耗与通态损耗特性主要依靠pnp等效晶体管电流增益α1进行折中设计，因此门极换流晶闸管的开通损耗和关断损耗很难同时被降低。

技术实现思路

[0003]本公开提供一种功率半导体器件。
[0004]本公开采用如下技术方案：一种功率半导体器件，包括：从下至上依次设置的第一P型区、第一N型区、第二P型区和第二N型区，第二N型区嵌入第二P型区，第二N型区与第二P型区的顶表面共面，第二P型区包括：P基区以及位于P基区上方的第一子基区、第二子基区和第三子基区，第二子基区位于第二N型区下方且沿水平方向不超出第二N型区，第三子基区环绕第二子基区，第一子基区环绕第三子基区，第三子基区至少与第二N型区的侧部接触，P基区的掺杂浓度记为n0，第一子基区的掺杂浓度记为n1，第二子基区的掺杂浓度记为n2，第三子基区的掺杂浓度记为n3，满足：n2＞n1＞n3＞n0。
[0005]在一些实施例中，第一子基区的掺杂浓度为1E15～1E18cm
‑3，第二子基区的掺杂浓度为1E15～8E18cm
‑3，第三子基区的掺杂浓度为1E15～5E17cm
‑3。
[0006]在一些实施例中，第一子基区的扩散深度记为X
jp1
，第二子基区的扩散深度记为X
jp2
，第三子基区的扩散深度记为X
jp3
，满足：X
jP2
≥X
jP3
≥X
jP1
。
[0007]在一些实施例中，在功率半导体器件的俯视透视图中，第二子基区具有垂直的短轴和长轴，第二子基区的短轴尺寸x2满足：10μm≤x2≤500μm，第二子基区的长轴尺寸y2满足：250μm≤y2≤6mm。
[0008]在一些实施例中，在功率半导体器件的俯视透视图中，第三子基区环绕第二N型区且与第二N型区具有环形的交叠区域，三子基区的宽度W满足：5μm≤W≤60μm。
[0009]在一些实施例中，P基区的峰值掺杂浓度为1E13～2E16cm
‑3。
[0010]在一些实施例中，P基区的多数杂质的扩散系数大于第一子基区、第二子基区和第三子基区的多数杂质的扩散系数。
[0011]在一些实施例中，P基区的多数杂质为铝或镓。
[0012]在一些实施例中，第一子基区、第二子基区和第三子基区的多数杂质为硼。
[0013]在一些实施例中，P基区在与第一子基区相对的区域的扩散深度均为第一深度，P基区在与第二子基区相对的区域的扩散深度为第二深度，第二深度小于第一深度。
[0014]在一些实施例中，功率半导体器件还包括：设置在第二N型区的顶表面且与第二N型区欧姆接触的阴极、设置在第一子基区的顶表面且与第一子基区欧姆接触的门极，阴极的顶表面高度高于门极的顶表面高度。
[0015]在一些实施例中，功率半导体器件包括：门极换流晶闸管。
[0016]通过对第一子基区、第二子基区和第三子基区多子浓度的调控，能够对门极换流晶闸管的通态损耗、关断能力和关断损耗进行自由调控。
附图说明
[0017]图1是本公开一实施例的功率半导体器件的截面图。
[0018]图2是本公开另一实施例的功率半导体器件的截面图。
[0019]图3是图2所示功率半导体器件的掺杂浓度分布示意图。
[0020]图4是图2所示功率半导体器件的部分结构的俯视透视图。
[0021]图5是图2所示功率半导体器件的部分结构的俯视透视图。
[0022]图6是图2所示功率半导体器件的一种变形形式。
[0023]图7是图2所示功率半导体器件的另一种变形形式。
[0024]图8是图2所示功率半导体器件的另一种变形形式。
[0025]图9是图2所示功率半导体器件的另一种变形形式。
具体实施方式
[0026]下面结合附图所示的实施例对本公开作进一步说明。
[0027]需要说明的是，本公开中提及空间位置关系描述的是功率半导体器件的阳极位于阴极下方时各个结构之间的空间位置关系。
[0028]图1是本公开一实施例的功率半导体器件的截面图。
[0029]参考图1，本公开的实施例提供一种功率半导体器件，包括：从下至上依次设置的第一P型区、第一N型区、第二P型区和第二N型区，第二N型区嵌入第二P型区，第二N型区与第二P型区的顶表面共面，第二P型区包括：P基区以及位于P基区上方的第一子基区、第二子基区和第三子基区，第二子基区位于第二N型区下方且沿水平方向不超出第二N型区，第三子基区环绕第二子基区，第一子基区环绕第三子基区，第三子基区与第二N型区接触，P基区的掺杂浓度记为n0，第一子基区的掺杂浓度记为n1，第二子基区的掺杂浓度记为n2，第三子基区的掺杂浓度记为n3，满足：n2＞n1＞n3＞n0。
[0030]第一P型区作为阳极区，其下方设置阳极，阳极与第一P型区形成欧姆接触。第一子基区上方设置门极，其与门极形成欧姆接触。第二N型区作为阴极区，其上方设置阴极，阴极与第二N型区形成欧姆接触。
[0031]具体地，该功率半导体器件可以包括门极换流晶闸管，图1示出的是门极换流晶闸管中的一个元胞区的截面图。
[0032]门极换流晶闸管中，第一P型区、第一N型区和第二P型区形成一个PNP晶体管，其电流增益记为α1。第一N型区、第二P型区和第二N型区形成一个NPN晶体管，其电流增益记为α
2。为满足GCT硬关断特性，门极换流晶闸管的设计通常会要求α1+α2≈1，因而关断损耗与通态损耗特性也只能进行折中设计。
[0033]在图1所示的实施例中，PNP晶体管可以细分成3部分。第一P型区、第一N型区、P基区和第一子基区为第一部分，其电流增益记为α11。第一P型区、第一N型区、P基区和第二子基区为第二部分，其电流增益记为α12。第一P型区、第一N型区、P基区和第三子基区为第三部分，其电流增益记为α13。
[0034]在图1所示的实施例中，NPN晶体管可以细分成2部分。第一部分为第一N型区、P基区、第二子基区、第二N型区，其电流增益记为α21。第二部分为第一N型区、P基区、第三子基区、第二N型区，其电流增益记为α2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种功率半导体器件，包括：从下至上依次设置的第一P型区、第一N型区、第二P型区和第二N型区，所述第二N型区嵌入所述第二P型区，所述第二N型区与所述第二P型区二者的顶表面共面，其特征在于，所述第二P型区包括：P基区以及位于所述P基区上方的第一子基区、第二子基区和第三子基区，所述第二子基区位于所述第二N型区下方且沿水平方向不超出所述第二N型区，所述第三子基区环绕所述第二子基区，所述第一子基区环绕所述第三子基区，所述第三子基区与所述第二N型区接触，所述P基区的掺杂浓度记为n0，所述第一子基区的掺杂浓度记为n1，所述第二子基区的掺杂浓度记为n2，所述第三子基区的掺杂浓度记为n3，满足：n2＞n1＞n3＞n0。2.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，所述第一子基区的掺杂浓度为1E15～1E18cm
‑3，所述第二子基区的掺杂浓度为1E15～8E18cm
‑3，所述第三子基区的掺杂浓度为1E15～5E17cm
‑3。3.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，所述第一子基区的扩散深度记为X
jp1
，所述第二子基区的扩散深度记为X
jp2
，所述第三子基区的扩散深度记为X
jp3
，满足：X
jP2
≥X
jP3...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈勇民，陈芳林，曹强，操国宏，徐焕新，蒋谊，潘学军，曾宏，
申请(专利权)人：株洲中车时代半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：