[发明专利]一种具有量子点结构的绝缘栅双极型晶体管

说明书

本发明公开了一种具有量子点结构的绝缘栅双极型晶体管。由下至上依次包括：漏极、P⁺衬底、N型缓冲层、N型量子点层、N^‑基区、P⁺阱、P基区、N⁺接触区、栅极、栅介质层和源极。由于量子点(零维材料)相较于高维材料具有更大的禁带宽度，而量子点的禁带宽度又强烈地依赖于其尺寸，且量子点尺寸不一，会天然地形成势能波动，产生大量的载流子局域区域。当器件关断时，剩余载流子被局域在量子点层中，可有效减小绝缘栅双极型晶体管器件的拖尾电流和缓冲层厚度，进而可以减小器件的开关时间和导通压降。

技术领域

本发明涉及半导体电力电子器件技术领域，特别是涉及一种具有量子点结构的绝缘栅双极型晶体管。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为现代电力电子电路中的核心电子元器件，被广泛应用于交通、通信、家用电器及航空航天等各个领域。

IGBT是一种绝缘型场效应管(MOSFET)和双极结型晶体管(BJT)复合而成的新型电力电子器件，可等效为BJT驱动的MOSFET。IGBT混合了MOSFET结构和BJT的工作机理，既具有MOSFET易于驱动、输入阻抗低、开关速度快的优点，又具有BJT通态电流密度大、 导通压降低、损耗小、稳定性好的优点，因而，IGBT器件被广泛运用于电力电子系统中。

然而，如图2所示的、以现有技术制备的IGBT，当器件关断时，虽然沟道很快关断，多子电流消失，但是漏极仍继续有少子空穴注入，整个器件的电流关断仍需要一定的时间，即器件关断时存在拖尾电流，而这严重限制了器件的工作频率。

为减小IGBT的关断时间，现有技术通常在P+衬底与N-基区之间加入一层N+缓冲层，使器件在关断时从漏极注入的空穴可在N+缓冲层被复合，进而可以提高器件的关断速度。然而要实现绝大多数空穴在N+缓冲层的有效复合，需采用较厚的缓冲层(10 μm以上)，而缓冲层厚度的增加又会导致其导通压降上升。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明提供一种具有量子点结构的绝缘栅双极型晶体管，当器件关断时，剩余载流子将被局域在量子点层中。可有效减小器件的拖尾电流和缓冲层厚度，进而可以减小器件的开关时间和导通压降，为达此目的，本发明提供一种具有量子点结构的绝缘栅双极型晶体管，由下至上依次包括：漏极、P⁺衬底、N型缓冲层、N型量子点层、N^-基区、P⁺阱、P基区、N⁺接触区、栅极、栅介质层和源极，所述N型缓冲层厚度为1-20 μm，所述N型量子点层厚度为10-500 nm，所述N^-基区厚度为1-100 μm，所述P⁺阱在P基区正下方，所述栅介质层内有栅极，所述P基区与栅介质层和源极相接触部分为N⁺接触区。

本发明的进一步改进，所述N型量子点层的量子点尺寸为1-50 nm，所述量子点为随机分布的或均匀分布的，所述量子点的密度为1-10×10⁹ cm^-2。

本发明的进一步改进，所述N型量子点层是Ge/Si量子点层或InAs/GaAs量子点层或InGaN/GaN量子点层。

本发明的进一步改进，所述N型缓冲层、N^-基区、P⁺阱、P基区、N⁺接触区的材料是Si或GaAs或GaN。

本发明的进一步改进，所述漏极和源极的材料是Cu或Au或Ag或Al，所述栅极的材料是多晶硅，所述栅介质层的材料是SiO₂，所述P⁺衬底的材料是Si或GaAs或GaN。