[发明专利]一种P型绝缘栅双极型晶体管结构

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，涉及一种低导通电阻、高电流能力、高耐压的P型绝缘栅双极型晶体管结构。 

背景技术

当前，随着现代化和信息化时代的发展，半导体功率器件在功率变换、电能控制等领域起着越来越重要和不可替代的作用。如今，功率器件正朝着提高工作电压、增加工作电流、减小导通电阻和提高可靠性的方向发展。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)利用电导调制效应，使其导通压降大幅降低，可作为一种有效的栅极控制开关器件，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。 

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)可以看作场效应晶体管(MOSFET)和双极型晶体管(BJT)的结合。传统的IGBT器件结构如图1所示，在该结构中，P⁺接触区8、N型基区7、P^-外延层4和N⁺衬底2形成了类似于晶闸管的PNPN四层三结结构。其中NPN晶体管的发射极为IGBT的集电极1，接低电位；NPN管的基区和PNP管的集电区是同一个区域，即IGBT的P^-外延层4；NPN管的集电区和PNP管的基区是同一个区域，即IGBT的N型基区7；PNP管的发射极为IGBT的发射极13，接高电位。在正向导通状态下， IGBT结构的MOS沟道开启，有大量空穴流入P^-外延层4（即NPN管基区）。同时，IGBT的集电极（即NPN管发射极）为低电位，此时，NPN管中发射结压降超过PN结开启电压，使NPN管开启，向P^-外延层4注入大量电子并流到IGBT的发射极（即NPN管集电极），其电流放大倍数可以用β表示。要降低IGBT的导通电阻，增加工作电流可以增大器件的β值。传统结构的IGBT由于P^-外延层4（即NPN管基区）的宽度很宽，导致NPN管β值很小，制约了IGBT的导通电流能力。 

因而，如何在保证IGBT的耐压条件下，IGBT增加电流能力成为提升IGBT性能的一个重要关注点。 

发明内容

       本发明的目的在于提供一种P型绝缘栅双极型晶体管，能够在保证耐压的条件下，进一步降低IGBT的导通电阻，增加工作电流。同时，本发明能够提高器件的抗闩锁能力。 

       本发明技术方案如下： 

       一种P型绝缘栅双极型晶体管结构，包括兼做集电区的N型掺杂硅衬底，在N型掺杂硅衬底下方设有集电极金属，在N型掺杂硅衬底上方设有P型掺杂硅缓冲层，在P型掺杂硅缓冲层上方设有P型轻掺杂硅外延层，在P型轻掺杂硅外延层内设有N型掺杂半导体区，在N型掺杂半导体区中设有P型重掺杂半导体区和N型重掺杂半导体区，其特征在于，在P型轻掺杂硅外延层内还设有N型柱，在N型柱和P型轻掺杂硅外延层之间设有介质层，在N型柱中也设有N型重掺杂半导体区，在P型轻掺杂硅外延层上方设有栅氧化层，在栅氧化层上方设有多晶硅栅，并且，所述多晶硅栅始于介质层的上方并止于与介质层相邻的P型重掺杂半导体区的上方，在多晶硅栅上方设有氧化层，在氧化层上方设有发射极金属，P型重掺杂半导体区和N型重掺杂半导体区与发射极金属电连接。

与传统P型绝缘栅双极型晶体管相比，本发明具有如下优点： 

1、本发明结构在传统的P型绝缘栅双极型晶体管中引入N型柱，获得窄基区NPN管，增大现有绝缘栅双极型晶体管中NPN管的电流放大倍数β，达到降低IGBT导通电阻、提高工作电流的目的。下面以本发明提供的P型绝缘栅双极型晶体管为例说明本发明的工作原理：

本发明结构中N⁺衬底2，P型缓冲层3和N型柱5形成了NPN晶体管，和传统IGBT中由N⁺衬底2，P型缓冲层3，P型外延层4和N型基区7组成的NPN结构相比，本发明提供的NPN晶体管具有更窄的基区宽度，因此具有更大的放大倍数β。

在正向导通状态下，IGBT的沟道开启，有大量空穴电流经过P型外延层流到P型缓冲层，其中一部分作为窄基区NPN晶体管的基极电流。同时，IGBT的集电极1（即NPN管发射极）为低电位，此时，NPN管中发射结压降超过PN结开启电压，向P型缓冲层3注入大量电子。大量的电子通过N型柱5直接流到IGBT的发射极，从而增大了IGBT的工作电流。