一种具有空穴注入结构的集电极短路ＩＧＢＴ，属于半导体功率器件技术领域。本发明专利技术在传统平面非穿通型ＩＧＢＴ中引入空穴注入结构和集电极短路结构。所述集电极短路结构由短路Ｎ↑［＋］区（３）与Ｐ型集电区（２）相间排列形成；所述空穴注入结构（１４）由第三Ｐ↑［＋］体区（５）、第三Ｐ型基区（６）、第三Ｎ↑［＋］源区（７）和浮空导体（１１）构成，其中浮空导体（１１）将第三Ｐ型基区（６）和第三Ｎ↑［＋］源区（７）短接。本发明专利技术在传统平面非穿通型ＩＧＢＴ中通过引入空穴注入结构和集电极短路结构可获得更低的导通压降，更大的饱和电流密度和更快的关断速度。采用本发明专利技术还可以使得非穿通型ＩＧＢＴ具有更优的基区载流子浓度分布，从而获得更好的正向导通压降和关断损耗之间的折衷。
【技术实现步骤摘要】
一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT (绝缘栅双极型晶体管)，属于半导体功率器 件
技术介绍
绝缘栅双极型晶体管，是目前发展最快的一种混合型电力电子器件。它具有MOSFET的 输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高的优点，又具有双极功率晶体管的电 流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点。广泛应用于电磁炉、UPS不间断电源、汽 车电子点火器、三相电动机变频器、电焊机开关电源等产品中作为功率开关管或功率输出管。1980年代初研究成功并投产的绝缘栅双极型晶体管是非透明集电区穿通型绝缘栅双极型 晶体管，今天简称为穿通型绝缘栅双极型晶体管，其结构如图l所示，它是在高浓度的P+衬 底22上依次外延N型缓冲层33、 N型基区4后制造成的绝缘栅双极型晶体管结构。由于存 在N型缓冲层33，电场在N型缓冲层33中将得到终止，从而形成一个梯形的电场分布，如 图1所示，故可利用较薄的N型基区即可得到较高的击穿电压，有利于降低导通电阻，从而 降低静态功耗，但是由于P+衬底相对较厚，浓度很高，使得背发射结的注入效率很高，关断 时电子基本不能从背发射区流出，只靠在基区的复合消失，从而其关断时间很长，增大了开 关损耗。为了改善其开关特性，必须控制少子寿命，已采用诸如电子辐照、氦离子注入的方 法降低少子寿命，也有人用掺入重金属元素控制少子寿命。但是，这样一来，会导致导通压 降成负温系数，这种导通压降的负温系数特性不利于绝缘栅双极型晶体管的并联使用，因为 如果其中一支绝缘栅双极型晶体管的电流偏大一些，热电正反馈效应会使电流越来越集中在这支绝缘栅双极型晶体管中，使其温度越来越高，最终导致器件烧毁。而且绝缘栅双极型晶 体管的正向导通和开关特性对少子寿命的控制有相反的要求，即少子寿命的减小，会导致正 向导通压降增大，这些都会对性能控制和制造工艺带来一定难度。此外，在制造大于600V 的高压穿通型绝缘栅双极型晶体管时，所需外延层厚度的增加，使得制造成本大大增加。针对穿通型绝缘栅双极型晶体管的缺点，开发了非穿通型绝缘栅双极型晶体管，其结构 如图2所示。它最主要的变革是采用了高电阻率的FZ(区熔)单晶替换昂贵的外延片，晶体 完整性和均匀性得到充分满足，在硅片背面用注入和退火的方法形成发射效率较低且较薄的 P区。这一般称之为"透明集电区"，采用此技术，可以使得绝缘栅双极型晶体管在关断时，N型基区的大量过剩电子可以以扩散的方式穿透极薄的P区，而达到快速关断的效果。由于 采用了透明集电区技术，使得非穿通型绝缘栅双极型晶体管与穿通型绝缘栅双极型晶体管相 比，具有以下主要性能特点导通压降呈正温度系数，功耗和电流拖尾随温度的变化小；由 于对纵向PNP的发射效率有所降低和控制，明显改善了关态的延迟；因不用外延片和不用寿 命控制技术而成本低。自非穿通型绝缘栅双极型晶体管专利技术以来，以后出现的绝缘栅双极型 晶体管基本都采用透明集电区技术。但是，非穿通型绝缘栅双极型晶体管的实际关断损耗要 比由通常所定义的关断损耗所得的计算值要大得多。文献J.Yamashita, T.Yamada， S . Uchida， H. Yamaguchi and S. Ishizawa, "A Relation between Dynamic Saturation Characteristics and Tail Current of Non-Punchthrough IGBT",ConfRec. of 31st IAS Annual Meeting, vol.3， pp.l425-1432,1996指出，计算上集电极额定电流10%以下的拖尾电流(几十微秒)所产生的 损耗，非穿通型绝缘栅双极型晶体管的实际关断损耗要比根据一般意义上定义的关断损耗的 计算值大2-3倍，这主要是由于非穿通型绝缘栅双极型晶体管的N型基区太厚造成的，所以 有必要进一步降低非穿通型绝缘栅双极型晶体管的关断损耗。另一方面，非穿通型绝缘栅双 极型晶体管在采用透明集电区技术提高开关速度的同时，由于没有了N型缓冲层，电场将终 止于N型基区，从而形成一个三角形的电场分布，如图2所示，故为了保证耐压必须采用相 对较宽的N型基区，导致导通电阻的增大，也就增加了静态损耗。特别是在承受高电压时， 电导调制效应将会明显减弱，特别是在靠近发射极的N—基区和JFET区，导通损耗增加将更 为显著。所以，只通过降低背发射区注入效率来折衷导通压降和关断损耗的矛盾关系，其作 用是f艮有限的，文献K. Sheng , F. Udrea, G.A丄Amaratunga， "Optimum carrier distribution of the IGBT"(绝缘栅双极型晶体管载流子浓度分布的优化)，Solid-State Electronics 44 ， 1573-1583， 2000指出，要实现正向导通压降和关断损耗之间较好的优化，这和载流子在N—基区的分布密 切相关，增大发射极一侧载流子的浓度，降低集电极一侧载流子的浓度有利于实现它们之间 更好的优化。为了实现更好的导通压降和关断损耗之间的折衷，文献T. Laska, M. Miinzer, F. Pfirsch, C. Schaeffer, T. Schmidt, "The Field Stop IGBT (FS IGBT)— A New Power Device Concept with a Great Improvement Potential"(电场终止型绝缘栅双极型晶体管一一种具有极大提升潜力的新 型功率器件)，ISPSD'2000, May 22-25， Toulouse, France ，提出了一种电场终止型绝缘栅双极 型晶体管，其结构如图3所示，它采用离子注入的方法在硅片背面先制造一个N型缓冲层33， 再注硼形成P型集电区2，由于N型缓冲层33的存在，电场将终止于N型缓冲层33，从而 形成一个梯形的电场分布，如图3所示，故可使得N型基区4可以作的较薄。但是电场终止 型绝缘栅双极型晶体管的N型缓冲层33是在表面结构都制作完毕以后背面注入形成的，因而不可能进行高温长时间的退火，因此N型缓冲层33的厚度和杂质的激活浓度都是很有限 的，用如此薄的缓冲层作高压器件的强电场中止层在物理上很不可靠，容易失效；而且，电 场终止型绝缘栅双极型晶体管要求的硅片厚度很薄， 一般在70pm左右，要确保如此薄的硅 片在流片的过程中不破裂，不弯曲，是相当困难的；再者，电场终止型绝缘栅双极型晶体管 对N型基区中载流子的分布改变并不显著，故正向导通压降和关断损耗之间的优化还可再进 一步提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT，它具有空穴注入结构 和集电极短路结构，可以获得更低的导通压降，更大的饱和电流密度，和更快的关断速度。 与传统的非穿通型绝缘栅双极型晶体管相比，在100A/cr^的电流密度下，正向导通压降降低 了 l伏，饱和电流密度提高2.5倍。采用本专利技术还可以使得非穿通型绝缘栅双极型晶体管具 有更优的基区载流子浓度分布，从而获得更好的正向导通压降和关断损耗之间的折衷。本专利技术技术方案如下一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT，如图4所本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有空穴注入结构的集电极短路ＩＧＢＴ，它包括金属化集电极（１）、Ｐ型集电区（２）、Ｎ↑［－］基区（４）、Ｐ↑［＋］体区（５）、Ｐ型基区（６）、Ｎ↑［＋］源区（７）、多晶硅栅电极（８）、二氧化硅栅氧化层（９）、金属化源极（１０）；器件从底层往上依次是金属化集电极（１）、Ｐ型集电区（２）、Ｎ↑［－］基区（４）；居于Ｎ↑［－］基区（４）顶部两侧由下往上依次是第一Ｐ↑［＋］体区（５）、第一Ｐ型基区（６）、第一Ｎ↑［＋］源区（７）和第二Ｐ↑［＋］体区（５）、第二Ｐ型基区（６）、第二Ｎ↑［＋］源区（７）；第一金属化源极（１０）将第一Ｐ型基区（６）和第一Ｎ↑［＋］源区（７）短接，并接源极电位；第二金属化源极（１０）将第二Ｐ型基区（６）和第二Ｎ↑［＋］源区（７）短接，并接源极电位；第一多晶硅栅电极（８）通过二氧化硅栅氧化层（９）与第一金属化源极（１０）、第一Ｎ↑［＋］源区（７）、第一Ｐ型基区（６）和Ｎ↑［－］基区（４）相隔离；第二多晶硅栅电极（８）通过二氧化硅栅氧化层（９）与第二金属化源极（１０）、第二Ｎ↑［＋］源区（７）、第二Ｐ型基区（６）和Ｎ↑［－］基区（４）相隔离； 其特征在于，它还包括短路Ｎ↑［＋］区（３）和空穴注入结构（１４），所述短路Ｎ↑［＋］区（３）与Ｐ型集电区（２）相间排列，共同构成集电极短路结构；所述空穴注入结构（１４）由第三Ｐ↑［＋］体区（５）、第三Ｐ型基区（６）、第 三Ｎ↑［＋］源区（７）和浮空导体（１１）构成，所述浮空导体（１１）将第三Ｐ型基区（６）和第三Ｎ↑［＋］源区（７）短接，并且电位保持浮空； 所述金属化集电极（１）、Ｐ型集电区（２）、Ｎ↑［－］基区（４）和第一Ｐ↑［＋］体区（５）、第一Ｐ 型基区（６）、第一Ｎ↑［＋］源区（７）、多晶硅栅电极（８）、二氧化硅栅氧化层（９）、第一金属化源极（１０）构成第一绝缘栅双极型晶体管结构（１２）；所述金属化集电极（１）、Ｐ型集电区（２）、Ｎ↑［－］基区（４）和第二Ｐ↑［＋］体区（５）、第二Ｐ型基区（６）、第二Ｎ↑［＋］源区（７）、多晶硅栅电极（８）、二氧化硅栅氧化层（９）、第二金属化源极（１０）构成第二绝缘栅双极型晶体管结构（１２）；所述金属化集电极（１）、短路Ｎ↑［＋］区（３）、Ｎ↑［－］基区（４）和部分第二Ｐ型基区（６）、部分第三Ｐ型基区（６）、部分第二Ｎ↑［＋］源区（７）、部分第三Ｎ↑［＋］源区（７）以及多晶硅栅电极（８）、二氧化硅栅氧化层（...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李泽宏，钱梦亮，张波，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]
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