[发明专利]具有浮结结构的IGBT

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种具有浮结结构的IGBT。

背景技术

绝缘栅双极晶体管（IGBT）是场效应晶体管（MOSFET）和双极功率晶体管（BJT）结合形成的达林顿结构，具有MOSFET输入阻抗高、驱动简单、开关速度高的优点，又具有BJT电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点，是比较理想的全控型器件。新一代沟槽栅场终止型IGBT综合了前几代产品的优点，采用最新功率半导体制造工艺，其模块容量应已经达到400A-2400A/1200V-6500V，满足电力电子与电力传动领域应用要求，并正在向更高功率要求的应用领域拓展。

1996年，日本东芝公司Ichiro Omura等人在美国申请专利，提出了浮结结构的原型。2000年，我国电子科技大学陈星弼教授最先提出在功率器件耐压层中引入反型岛（opposite-doped island）结构来解决功率器件导通电阻与击穿电压之间的关系。2002年，日本科学家Wataru Saitoh等人通过离子注入制备了Si BL-SBD（p-buried layer），对于同样的通态比电阻29mΩ.cm²，击穿电压由传统结构的230V提高到350V。

因此，将浮结结构应用在IGBT中可以满足高耐压要求的同时进一步减小通态比电阻，降低器件正向导通功耗。

目前功率半导体器件耐压层通常采用超结结构，如商品化CoolMOS^TM。超结结构（superjunction）是由交替存在的n区和p区所构成的耐压层。该结构外加较大反向偏压时，n柱及p柱将全部耗尽，施主和受主电离产生出正电荷及负电荷。由于n柱及p柱交替排列，n柱中正电荷产生的电力线沿横向大部分终止于p柱中的负电荷，正负电荷补偿。这样整体看来，漂移区等效电荷密度降低很多，理想情况下耐压层中正负电荷完全补偿，类似于本征。所以，即使n柱及p柱掺杂浓度很高，也能得到很高的击穿电压，击穿电压与掺杂浓度无关。正向导通时，虽然电流通路变为原来一半，但漂移区(n柱或p柱)掺杂浓度提高很多，导通电阻大大降低。

现有技术中超结结构IGBT具有以下缺点：

(1)超结结构基于电荷补偿原理，要求电荷平衡，否则器件性能大大降低。

(2)设计中为了满足高耐压和低通态电阻的要求，要求耐压层中柱区长宽比很大。高压IGBT芯片耐压层很厚，因此无论采用刻蚀外延还是多次外延注入工艺，在长宽比较大的情况下很难满足电荷平衡且制备成本很高。

(3)超结结构中寄生着PiN二极管，工作中起到反并联续流二极管作用。正向导通时，大量过剩载流子储存在n柱中，使得超结结构反向恢复电荷很高。同时，超结结构中n柱及p柱通常很窄，横向pn结使得载流子迅速排出，反向恢复较硬，反向恢复具有较高的电流峰值，较大的电磁干扰（EMI）噪声和较高的功耗。反向恢复电流下降速度过大使得其在电路电感中产生较高的电动势，这个电动势叠加到电源上不仅提高了二极管及开关元件对电压的要求和成本，同时也对二极管和开关器件产生威胁。

针对这些问题，目前已经提出了如掺金、铂或通过辐照来控制载流子寿命，减小反向恢复电荷等方法。但掺杂会破坏电荷平衡，辐照对器件使用寿命有较大的影响。因此，有人提出在超结MOSFET中使用肖特基接触来改善开关特性。第三代COOLMOS^TM C3系列则通过在内部集成一个SiC二极管来改善其反向恢复特性，取得了较好的效果但增加了制造难度及成本。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种具有浮结结构的IGBT。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种具有浮结结构的IGBT，将同样基于电荷补偿原理设计的浮结结构应用在IGBT中，满足高耐压的同时进一步减小通态比电阻，降低器件正向导通功耗。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种具有浮结结构的IGBT，所述IGBT包括漂移区、位于所述漂移区上方的p型区及n型区、位于所述漂移区下方的缓冲层、以及位于所述缓冲层下方的注入层，其特征在于，所述漂移区内形成有若干浮结。

作为本发明的进一步改进，所述浮结在漂移区通过离子注入的方法形成。

作为本发明的进一步改进，所述漂移区为n掺杂，浮结为p型浮结。

作为本发明的进一步改进，所述若干浮结水平排列设置于漂移区内。

作为本发明的进一步改进，所述缓冲层为n型区，所述注入层为p型区。

作为本发明的进一步改进，所述注入层为p+掺杂。