[发明专利]一种RC-IGBT器件及其制备方法

说明书

本发明公开一种RC‑IGBT器件及其制备方法，属于半导体功率器件技术领域。本发明在传统RC‑IGBT器件中采用禁带宽度不同的半导体材料形成集电极短路区，集电极短路区材料的禁带宽度大于与之相接触的半导体材料的禁带宽度，从而形成了具有整流特性的异质结结构，借此实现单个元胞结构就能消除传统RC‑IGBT正向导通过程中的电压折回现象(Voltage Snapback)，同时优化漂移区电流分布和热分布，避免了电流集中和热集中引发的可靠性问题，并且提高了器件的反向恢复能力。进一步采用禁带宽度不同的半导体材料形成发射区，发射区的禁带宽度大于与之相接触的半导体材料的禁带宽度，以此提高了器件的抗闩锁能力。

技术领域

本发明属于半导体功率器件技术领域，特别涉及一种逆导型绝缘栅双极型晶体管(ReverseConductingInsulatedGateBipolarTransistors，RC-IGBTs)器件及其制备方法。

背景技术

随着人类工业革命深度和广度的不断扩展，人们在享受工业化成果带来便利的同时，也不断面临着种种危机。作为工业的“血液”，能源资源的可持续性利用一直以来受到世界各国的重视。而能源资源的日益消耗，也让人们感受到了“能源危机”。在寻求新型能源作为化石能源的替代的同时，人们也在思考如何让能源的利用率达到最大化。电能是人类能直接利用的主要能源，而管理着电能的电力系统是人类提高电能使用率的关键途径。作为电力系统的核心，半导体功率器件至少控制着世界上70％以上的电力能源，故其“电变换”能力及效率的高低，对能源资源利用率的提升具有重大意义。

半导体功率器件当下由硅基功率器件为主，主要包括功率双极结型器件(BJT)、肖特基势垒二极管(SBD)、晶闸管(SCR)、功率PIN器件、功率MOSFET以及绝缘栅场效应晶体管(IGBT)等，在全功率范围内得到了广泛的应用。如图1所示为传统Trench-FSIGBT结构，作为当下应用最为广泛的半导体功率器件之一，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结合了功率MOSFET和双极结型晶体管(BJT)的特性，既有MOSFET输入阻抗高、温度稳定性好，又有双极结型晶体管大的电流处理能力，能在快工作速度和高功率密度之间获得一个很好的折中特性。然而，与MOSEFT相比，由于IGBT无MOSFET的体二极管，在反向工作时，IGBT等效为一个基区开路的PNP管，无续流能力；并且由于IGBT自身不具有逆向导通能力，在逆变电路或其它电路应用中，技术人员往往在电路中加入一个反并联二极管续流。随着研究的深入，为降低成本，提升芯片的功率密度和可靠性，如图2所示，研究人员从工艺上将反并联二极管与IGBT集成在一块芯片上。但是，这种做法在降低芯片制造成本与提升芯片功率密度的同时，也带来了诸多问题，如IGBT正向应用时的电压折回(VoltageSnapback)，导通压降增大，漂移区电流分布不均匀、热分布不均匀以及二极管反向恢复能力差等问题，这些问题成为了RC-IGBT器件广泛应用的障碍。其中：电压折回现象产生于RC-IGBT导通初期，器件为单极导通，等同于器件工作于VDMOS模式。对N沟道器件而言，在这一工作模式下，电子从沟道流入漂移区，几近垂直地流入N型buffer层或者N型场阻层，再聚集于N型集电极短路区后流出器件。电子在P+集电区上方的运动近似为横向流动，如此一来，自靠近N型集电短路区边缘一侧的P+集电区至其相对侧的P+集电区和N型场阻层的电势差是不断上升的，该电势差的大小决定了集电结是否开启。而随着电流密度的增加，该电势差不断上升，集电结终开启，使得器件进入IGBT工作模式，由于电导调制效应，导通压降得以降低，于是产生了电压折回现象。电压折回现象对器件并联应用的可靠性具有巨大的负面影响，为解决电压折回现象，研究人员提出了如图3所示的并联型传统RC-IGBT，所述并联型传统RC-IGBT多个IGBT元胞并联以增大横向寄生电阻，并且多个IGBT元胞共用一个反并联续流二极管，从而形成一个更大的“元胞”。传统并联型RC-IGBT在一定程度上解决了电压折回的问题，但在IGBT和二极管工作模式时均会使导通压降增大并使得漂移区电流分布不均匀、热分布不均匀以及反向恢复能力差等问题更加突出，同时使IGBT的正向导通压降和关断损耗的折中特性变差。

发明内容