一种无snapback效应的逆导型绝缘栅双极晶体管，属于半导体功率器件技术领域。本发明专利技术在常规RC-IGBT的在N集电区（9）和N缓冲区（8）之间引入一个P浮空区（7），以消除其snapback效应，降低器件的关断损耗。新结构减小了N集电区（9）元胞长度及其有效面积，提高了集电极短路电阻，且P浮空区（7）的发射效率较P集电区（10）高，通过电导调制效应降低N-漂移区（6）电阻，由此消除snapback效应。在反向工作时，由N-漂移区（6）、P浮空区（7）、N集电区（9）构成的寄生晶体管开启，提供电流通路，与P体区（5）形成PNPN四层结构的正反馈，降低了器件反向导通时的导通电阻，实现了较低的开态电压和快速关断。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于半导体功率器件
，涉及绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
技术介绍
随着科技的不断进步和工业的快速发展，对能源特别是对电力的消耗日益增加，如何节约电能，提高能源的利用效率，成为了当今的重要课题。在此背景下，以IGBT为代表的半导体功率器件应运而生。IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管，是由 BJT 和MOS组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器器件。IGBT既具有MOSFET的工作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又拥有BJT载流量大，阻断电压高等多项优点，从而极大的扩展了半导体器件的功率应用领域。而且，在相同功率定额条件下，IGBT所用的硅面积要比MOSFET小。因此在高压应用领域，IGBT正在逐渐取代MOSFET。同时和功率BJT相比，IGBT具有很高的开关频率，以及相近的通态压降和电流密度。IGBT的栅极与发射极之间、栅极与集电极之间存在着结间电容，在它的射极回路中存在着漏电感，这些分布参数很不利于IGBT的动态特性，因此常规的IGBT只能单向导通。现有一种反向导通绝缘栅双极晶体管(RC-1GBT)，如图1所示，其结构上引入了一个N集电极9,实现集电极短路结构，以很低的成本将快恢复二极管(free-wheeling diode,FffD,用于导通反向电流)集成于IGBT芯片上，大大改善了动态特性，使IGBT能够导通交变电流。RC-1GBT其相同的硅被正向导通和反向导通同时利用，降低了芯片尺寸和测试等成本，和传统单向IGBT相比，在正向电压降和关断损耗之间取得了更好的平衡，如文献[I]E. Napoli, P. Spirito, A. G. M. Strollo, F. Frisina, L. Fragapane, and D. Fagone, “Designof IGBT with integral freewheeling diode,，，IEEE Electron Device Lett. , vol. 23, n o. 9, pp. 532-534, Sept. 2002. [2] H. Takahashi, A. Yamamoto, S. Aono, and T. Minato, “ 1200Vreverse conducting IGB T,，，in Proc.1SPSD, 2004, pp. 133-136.所述。然而，RC-1GBT容易发生snapback效应-即正向电压达到一定程度时，电流增大电压反而下降，这个缺点近年来受到了大量关注。RC-1GBT正向导通时，低电流密度下电子全部经过N集电极9流向阳极12，由于N缓冲层8降低了 P集电极10的发射效率，当电压增加到一定程度时，P集电极10才开始导通并向N漂移区6注入空穴，通过电导调制效应降低N漂移区6的电阻，使得电流增大而电压反而减小，即snapback效应。当器件并联时，特别是在非常低的温度下，这个负面效应会阻止器件的完全开启。通常可在器件外部增加一个例如RC缓冲电路的辅助电路来改善器件动态特性，并消除snapback效应，不过由此会增加电路设计的复杂性。本专利技术将提出一种新型的RC-1GBT结构，从器件结构上消除snapback效应。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种逆导型绝缘栅双极晶体管(RC-1GBT)，该RC-1GBT无snapback效应,器件关断损耗更低。RC-1GBT的特点是集电极既有P集电极10又有N集电极9，相当于集成了一个PIN结构的快恢复二极管(由P体区5、N漂移区6和N集电极9所构成)，大大减小电流从正向到反向相互变化时的恢复时间，使IGBT能够双向工作。然而传统RC-1GBT会发生snapback效应，在温度较低时，阻止器件的完全开启。Snapback效应即RC-1GBT正向导通时，低电流密度下电子全部经过N集电极9流向金属化集电极12，由于N缓冲层8降低了 P集电极10的发射效率，当电压增加到一定程度时，P集电极10才开始导通并向N漂移区6注入空穴，通过电导调制效应降低N漂移区6的电阻，使得电流增大而电压反而减小的效应。本专利技术采用技术方案为一种无snapback效应的逆导型绝缘栅双极晶体管,其结构如图2所示,包括金属化发射极1、场氧化层2、多晶硅栅电极3、栅氧化层、N+源区4、P体区5、N-漂移区6、N缓冲层8、N集电区9、P集电区10和金属化集电极12 ;P体区5位于N-漂移区6顶部，N+源 区4位于P体区5中，栅氧化层位于N+源区4、P体区5和N-漂移区6的表面，多晶硅栅电极3位于栅氧化层表面，金属化发射极I覆盖N+源区4和P体区5的剩余表面，金属化发射极I与多晶硅栅电极3之间是场氧化层2。N-漂移区6的下表面具有相互接触的P浮空区7和N缓冲层8，P浮空区7和金属化集电极12之间是N集电区9，N缓冲层8和金属化集电极12之间是P集电区10，N集电区9和P集电区10被相互隔离；N集电区9与N-漂移区6部分接触，接触宽度尺寸为Lgap ;金属化集电极12内部具有一个氧化层11，氧化层11将金属化集电极12隔离成两个部分，其中一部分金属化集电极12只与N集电区9接触，另一部分金属化集电极12只与P集电区10接触。需要说明的是1、浮空P区7的具体实现方法为离子注入技术或扩散技术；2、所述P浮空区7浓度、P浮空区7结深Xp、N缓冲层8浓度、N缓冲层8结深Xn和N集电区(9)与N-漂移区(6)的接触宽度尺寸Lgap可供优化。本专利技术提供的无snapback效应的逆导型绝缘栅双极晶体管，相当于是在图1所示常规逆导型绝缘栅双极晶体管的N集电区9和N缓冲层8之间引入一个P浮空区7。P浮空区7部分包围N集电极9，N集电区9与N-漂移区6的接触区域宽度尺寸为Lgap。P浮空区7，N缓冲层8和氧化层11将N集电区9与P集电区10隔离。氧化层11隔离P浮空区7与金属集电极12。如图2所示，本专利技术提供的无snapback效应的逆导型绝缘栅双极晶体管在N集电区9和N缓冲层8之间引入的P浮空区7，在低电流密度时，P浮空区7起到电子势垒的作用，减小了 N集电区9元胞长度，减小其有效面积，从而大大提高集电极短路电阻，由此抑制snapback效应；当电压逐渐增加时，P浮空区7开始向N-漂移区6发射空穴，由于P浮空区7上方没有N缓冲层8，发射效率较高，所以会比P集电区10更早开始工作，通过电导调制效应降低N-漂移区6的电阻，消除snapback效应。同时，本专利技术提供的无snapback效应的逆导型绝缘栅双极晶体管在反向工作时，N集电区9、P浮空区7和N-漂移区6晶体管开启提供电流通路，N集电区9作为发射极工作，由P体区5、N集电区9、P浮空区7和N-漂移区6构成的PNPN四层结构形成正反馈，由图3的等效电路图可知，降低了反向导通时的导通电阻，这些有助于集成的快恢复二极管实现较低的开态电压和快速关断。当电流密度较小，P集电区10未导通时，称此时的IGBT工作在单极模式；当电流密度较大，P集电区10导通时，称此时的IGBT工作在双极模式。本专利技术由于消除了snapback效应,进入双极模式时的电压远低于常规结构,如图4所示。 通过数学仿真软本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种无snapback效应的逆导型绝缘栅双极晶体管，包括金属化发射极（1）、场氧化层（2）、多晶硅栅电极（3）、栅氧化层、N+源区（4）、P体区（5）、N?漂移区（6）、N缓冲层（8）、N集电区（9）、P集电区（10）和金属化集电极（12）；P体区（5）位于N?漂移区（6）顶部，N+源区（4）位于P体区（5）中，栅氧化层位于N+源区（4）、P体区（5）和N?漂移区（6）的表面，多晶硅栅电极（3）位于栅氧化层表面，金属化发射极（1）覆盖N+源区（4）和P体区（5）的剩余表面，金属化发射极（1）与多晶硅栅电极（3）之间是场氧化层（2）；N?漂移区（6）的下表面具有相互接触的P浮空区（7）和N缓冲层（8），P浮空区（7）和金属化集电极（12）之间是N集电区（9），N缓冲层（8）和金属化集电极（12）之间是P集电区（10），N集电区（9）和P集电区（10）被相互隔离；N集电区（9）与N?漂移区（6）部分接触，接触宽度尺寸为Lgap；金属化集电极（12）内部具有一个氧化层（11），氧化层（11）将金属化集电极（12）隔离成两个部分，其中一部分金属化集电极（12）只与N集电区（9）接触，另一部分金属化集电极（12）只与P集电区（10）接触。...
【技术特征摘要】
1.一种无snapback效应的逆导型绝缘栅双极晶体管，包括金属化发射极(I)、场氧化层(2)、多晶硅栅电极(3)、栅氧化层、N+源区(4)、P体区(5)、N-漂移区(6)、N缓冲层(8)、N 集电区(9)、P集电区(10)和金属化集电极(12) ;P体区(5)位于N-漂移区(6)顶部，N+源区(4)位于P体区(5)中，栅氧化层位于N+源区(4)、P体区(5)和N-漂移区(6)的表面， 多晶硅栅电极(3)位于栅氧化层表面，金属化发射极(I)覆盖N+源区(4)和P体区(5)的剩余表面，金属化发射极(I)与多晶硅栅电极(3)之间是场氧化层(2) ;N-漂移区(6)的下表面具有相互接触的P浮空区(7)和N缓冲层(8)，P浮空区(7)和金属化集电极(12)之间是N集电区(9)，N缓冲层(8)和金属化集电极(12)...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈万军，蒋华平，章晋汉，张波，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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