[发明专利]一种抗闩锁效应的绝缘栅双极型晶体管

说明书

技术领域

本发明属于功率半导体器件技术领域，涉及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，更具体的说，涉及抗闩锁效应的IGBT器件。

背景技术

功率器件作为当代电力电子技术不可或缺的核心器件，近几十年来得到了飞速的发展。随着研究的不断深入，功率器件一直向着高频率，高耐压，低损耗的方向发展。IGBT作为一种栅极控制的开关器件，利用电导调制效应降低了器件的导通压降，迎合了功率器件的发展方向，成为了中高压开关，中频变频器不可或缺的功率产品。

传统的IGBT器件结构如图1所示，N型源区8，P型基区7，N^-漂移区3和P⁺集电区2形成类似于晶闸管的PNPN四层结构。IGBT的PNPN四层结构可以看作一个PNP晶体管同一个NPN晶体管的连接。其中PNP晶体管的发射极为IGBT的集电极1，接高电位；PNP晶体管的基极同NPN晶体管的集电极是同一个区域，即IGBT的N^-漂移区3；PNP管的集电极同NPN管的基极相连是同一个区域，即IGBT的P型基区7；NPN管的发射极为IGBT的发射极10，接低电位。在正向导通状态下，IGBT栅极5为高电位，IGBT结构的MOS沟道开启，有大量电子流入N^-漂移区(即PNP管基极)。同时，IGBT的集电极即PNP晶体管的发射极为高电位，此时，PNP管中发射极压降超过PN结开启电压，使PNP管的发射区向N^-漂移区中注入大量空穴，在N^-漂移区内形成大注入效应，从而获得低的正向导通压降。在正常工作情况下，由于NPN管的共基极放大系数较小，NPN管的发射结压降较低无法使NPN管开启，因而不会发生晶闸管的闩锁效应。但当IGBT的电流较大或P型基区的电阻过高，在IGBT P型基区两端的压降超过PN结开启电压时，将使NPN管的发射极压降超过开启电压导致NPN管导通，发生闩锁效应。此时PNPN结构相当于开启状态下的晶闸管，当α_PNP+α_NPN≥1时无论沟道是否开启，电流形成一个正反馈不会消失，栅极失去对IGBT的开关控制作用。此时由于电流的正反馈，器件电流会不断增加，最终烧毁芯片。由于这个寄生NPN晶体管的存在，IGBT在一定情况下就有发生闩锁效应的风险。因而，在设计IGBT芯片时，如何避免闩锁效应的发生是一个必须解决的问题。

目前为了避免IGBT器件闩锁效应的发生，采取的措施主要有：1)降低PNP管共基极电流增益α_PNP。由于导致NPN管PN结开启的压降是由空穴电流造成的，降低α_PNP有助于减小空穴电流，从而达到避免NPN管PN结开启的效果。然而这会导致N^-漂移区的电导调制效应降低，使器件的正向压降增大，这是不希望看到的。2)降低P型基区的电阻率。降低P型基区电阻率，能使器件在PN结开启前承受更大的电流。但是，随着电阻率的降低，掺杂浓度也会增大，这不利于MOS沟道反型层的形成，会导致器件阈值电压过大。3)减小N型源区的长度。N型源区下部的P型基区的电阻大小与N型源区的长度成正比，通过减小N型源区的长度可以减小P型基区的电阻，但这受到工艺条件的限制。

因而，如何在影响IGBT器件的正向压降，阈值电压和N型有源区长度的条件下，提高IGBT器件的抗闩锁能力就成为亟待解决的问题。

发明内容

为了避免闩锁效应的不利影响，本发明提供一种抗闩锁效应的绝缘栅双极型晶体管。本发明利用离子注入、沉积或热生长方法或直接使用部分SOI硅片，在P型基区和N^-漂移区的界面处设置一层隔离介质层，阻断N^-漂移区中的空穴电流经过P型基区流进N型源区的部分电流通路，可以有效防止IGBT结构中寄生NPN晶体管的开启，避免IGBT中PNPN结构所导致的闩锁效应。

本发明技术方案如下：

一种抗闩锁效应的绝缘栅双极型晶体管，如图2所示，在P型基区7和N^-型漂移区3之间的界面处设置有一层介质隔离层11。

本发明的工作原理：