[实用新型]一种基于隧穿效应的光控IGBT结构

说明书

技术领域

本实用新型涉及半导体器件设计领域，特别是一种基于隧穿效应的光控 IGBT结构。

背景技术

目前，IGBT均设计为电压控制器件(图1)，栅极为金属电极，在栅极和源极之间施加足够高的正向驱动电压信号，在栅极下方的P区形成一个反型层，即N型导通沟道，经由这个通道，电子从源极区的N+区流向N-漂移区，直至邻近漏极的N区，使IGBT进入导通状态。当栅极与源极之间的正向驱动电压消失，栅极与源极同电位或低于源极电位时，IGBT截止。因此，目前IGBT的导通是由栅极驱动电压信号在栅极下方的P区形成N型导通沟道控制的，需要通过外部控制电路为栅极馈送正向电压信号。IGBT由截止状态向导通状态转换的时间受到驱动电路输出电流和IGBT栅极结构电容制约，由于IGBT结构的限制，对额定工作电流数百安培以上的大功率IGBT而言，栅极结构电容较大， IGBT的状态转换时间通常在数十纳秒甚至数百纳秒以上。通过对IGBT栅极结构进行特殊设计并采用激光辐照方法触发，可以解决IGBT的绝缘隔离及状态转换时间慢的问题。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种基于隧穿效应的光控IGBT结构。通过设计特殊的栅极结构(增加光控层，并将栅极用于电极引出连接的致密金属层面积缩小至外圈层的范围)并使其IGBT源极短接，或与通过限流电阻IGBT漏极、通过地线与IGBT源极连通的输出负极性电压信号的稳压模块的输出极连通，采用激光脉冲控制栅极下方导电沟道的形成，控制IGBT的通断，用于解决IGBT的绝缘隔离及状态转换时间长的问题。

本实用新型采用的技术方案是这样的：

一种基于隧穿效应的光控IGBT结构包括：

部分区域可透射激光的IGBT栅极结构，用于使栅极区电极下方N^-、P、N⁺半导体材料在激光辐照时形成隧穿区，进而形成导电通道；在IGBT的栅极区底面SiO₂层上设置一层用于导电透光的光控层；栅极区边缘部分为外圈层，栅极外圈层光控层上制备致密金属层，致密金属层焊接引线连接到IGBT封装壳体的栅极外电极；

在IGBT栅极与IGBT漏极、源极之间设置限流电阻和稳压模块；IGBT栅极与输出电压为-5V至-15V的负极性输出稳压模块连接，通过稳压模块输出的负极性电压限定IGBT栅极电位，使稳态条件下IGBT栅极电位保持在阻断电位；限流电阻一端与IGBT漏极连接，另一端与稳压模块输入端连接；稳压模块输出端与IGBT栅极连接，稳压模块地线端与IGBT源极连接；

其中栅极外圈层区域指的是仅覆盖IGBT栅极下方的部分N^-区区域；内圈层指的是覆盖IGBT栅极区下方的P区及其两侧的部分N^-、N⁺型半导体区的区域；外圈层与内圈层面积之和应小于等于栅极区底层SiO₂面积，即栅极区外圈层和内圈层应确保其与Si层之间有可靠的SiO₂绝缘。

一种基于隧穿效应的光控IGBT结构包括：

部分区域可透射激光的IGBT栅极结构，用于使栅极区电极下方N^-、P、N⁺半导体材料在激光辐照时形成隧穿区，进而形成导电通道；在IGBT的栅极区底面SiO₂层上设置一层用于导电透光的光控层；栅极区边缘部分为外圈层；栅极外圈层光控层上制备致密金属层；致密金属层焊接引线连接到IGBT封装壳体的栅极外电极；

IGBT栅极与源极直接短接且IGBT栅极与漏级之间无限流电阻时，IGBT栅极与源极同电位。

进一步的，当激光脉冲辐照IGBT栅极，即激光脉冲辐照光控层的内圈层时，在栅极下方的N⁺、P、N^-区产生大量光生载流子，使P区宽度受到极大地压缩，在隧穿效应作用下，使N⁺、N^-区载流子能够渡越通过P区，从而使IGBT 导通；在未使用激光脉冲辐照IGBT栅极时，当IGBT加电时，源极、漏极之间存在电压差，通过限流电阻和稳压模块构成的组件输出的负极性电压信号钳制栅极电位使栅极区与源极低于源极电位，栅极区下方P型层将邻近的N型层隔离，IGBT处于关断状态；当栅极直接与源极短接，则当IGBT加电时，IGBT栅极与源极同电位，IGBT也能够处于关断状态。