一种低功耗功率器件

1.本发明属于功率半导体技术领域，涉及一种低功耗igbt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)。


背景技术：

2.绝缘栅双极型晶体管(igbt)是中高功率领域电力电子系统的核心器件。作为场效应晶体管与双极型晶体管的复合器件，igbt具有高输入阻抗、驱动简单、高电流能力、低导通压降等特点。
3.对于传统的浮空p区igbt结构，在正向导通时，浮空的p区可以存储大量空穴来增强电导调制效应，从而降低导通压降，并且大面积的浮空p区可以降低器件的饱和电流以提高安全工作区。然而，浮空p区的存在也使得器件的开启特性受到影响。传统浮空p区igbt在开启过程中，大量空穴会聚集在浮空p区及槽栅侧壁，导致该处电位抬升，产生位移电流。因此，器件在开启时会产生大的电流过冲以及高的dv/dt和di/dt，从而引起严重的emi噪声。


技术实现要素：

4.本发明的目的，就是针对上述问题，提出一种低功耗igbt。
5.本发明的技术方案是：一种低功耗功率器件，自下而上依次包括集电极结构、n型漂移区3、槽栅结构以及分别位于槽栅结构两侧的发射极结构和浮空p区结构，其中发射极结构、槽栅结构和浮空p区结构均与n型漂移区3上表面相接触；
6.所述集电极结构包括p 集电极层1和位于p 集电极层1上表面的n型缓冲层2；由p 集电极层1下表面引出集电极；
7.所述槽栅结构由覆盖槽底和槽侧壁的槽栅介质层7和被槽栅介质层7包围的多晶硅层8构成；所述多晶硅层8的引出端为栅极；
8.所述发射极结构包括位于n型漂移区3上的p型阱区4、位于p型阱区4上部且相互独立的第一p 体接触区5和n 发射极区6，其中n 发射极区6与槽栅结构接触，还包括发射极电阻11以及发射极二极管12；所述发射极电阻11一端与n 发射极区6短接，另一端与发射极相连；所述发射极二极管12的阳极端与第一p 体接触区5的引出端短接，阴极端与发射极相连；
9.所述浮空p区结构由浮空p型区9和位于浮空p型区9上部的第二p 体接触区10构成；所述第二p 体接触区10的引出端与第一p 体接触区5短接。
10.进一步的，所述发射极电阻r
p
11以及发射极二极管d
p
12可通过外部连接。
11.进一步的，所述发射极电阻r
p
以及发射极二极管d
p
位于浮空p区上方，并通过介质层13与浮空p区隔开；所述发射极电阻r
p
由p型多晶硅电阻110构成；所述发射极二极管由相互接触的p型区120和n型区121构成；所述p型多晶硅电阻110一端与n 发射极区6短接，另一端与发射极相连；所述发射极二极管的p型区120与第一p 体接触区5的引出端短接，n型区121与发射极相连。
12.本发明的有益效果为，相对于传统igbt结构，本发明在导通时增强了电导调制效应，在开启过程中可提供空穴抽取通路，新结构具有更低的导通压降、更低的开启电流过冲以及更低的开启损耗。
附图说明
13.图1为实施例1和实施例2的结构示意图；
14.图2为实施例3的结构示意图；
具体实施方式
15.下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：
16.实施例1
17.如图1所示，本例的低功耗igbt，自下而上包括集电极结构、n型漂移区3、槽栅结构以及分别位于槽栅结构两侧的发射极结构和浮空p区结构，其中发射极结构、槽栅结构和浮空p区结构均与n型漂移区3上表面相接触；
18.所述集电极结构包括p 集电极层1和位于p 集电极层1上表面的n型缓冲层2；由p 集电极层1下表面引出集电极；
19.所述槽栅结构由覆盖槽底和槽侧壁的槽栅介质层7和被槽栅介质层7包围的多晶硅层8构成；所述多晶硅层8的引出端为栅极；
20.其特征包括：
21.所述发射极结构包括位于n型漂移区3上的p型阱区4、位于p型阱区4上部且相互独立的第一p 体接触区5和n 发射极区6、发射极电阻11以及发射极二极管12；所述发射极电阻11一端与n 发射极区6短接，另一端与发射极相连；所述发射极二极管12的阳极端与第一p 体接触区5的引出端短接，阴极端与发射极相连；
22.所述浮空p区结构由浮空p型区9和位于浮空p型区9上部的第二p 体接触区10构成；所述第二p 体接触区10的引出端与第一p 体接触区5短接。
23.本例的工作原理为：
24.新器件正向导通时，当集电极电压较小时，集电极注入过来的空穴没有直接的通路流到发射极，从而在第一p 体接触区5堆积，抬高第一p 体接触区5处的电势，使得p型阱区4与n 发射极区6构成的pn结开启，向漂移区内注入大量电子，增强电导调制效应，从而降低导通压降。当集电极电压继续增大，发射极二极管d
p
开启，第一p 体接触区5的电位被钳位；随着电流的增加，发射极电阻11两端的电压差增加，n 发射极区6的电位被抬升，最终使得p型阱区4与n 发射极区6构成的pn结截止，器件进入饱和区。在开启过程中，浮空p区积累的空穴可通过开启的发射极二极管d
p
12流向发射极，从而减小了栅上的位移电流，降低了电流过冲。
25.本发明的有益效果为，相对于传统igbt结构，本发明在导通时增强了电导调制效应，在开启过程中可提供空穴抽取通路，新结构具有更低的导通压降、更低的开启电流过冲以及更低的开启损耗。
26.实施例2
27.如图1所示，本例与实施例1中图1的区别在于，所述发射极电阻r
p
11以及发射极二
极管d
p
12为外部连接。
28.实施例3
29.如图2所示，本例与实施例1中图1的区别在于，所述发射极电阻r
p
以及发射极二极管d
p
位于浮空p区上方，并通过介质层13与浮空p区隔开；所述发射极电阻r
p
由p型多晶硅电阻110构成；所述发射极二极管由相互接触的p型区120和n型区121构成；所述p型多晶硅电阻110一端与n 发射极区6短接，另一端与发射极相连；所述发射极二极管的p型区120与第一p 体接触区5的引出端短接，n型区121与发射极相连。与实施例1相比，本例中新器件中的发射极电阻r
p
与发射极二极管d
p
不占用额外的芯片面积，且具有更小的寄生参数。


技术特征：
1.一种低功耗功率器件，自下而上依次包括集电极结构、n型漂移区(3)、槽栅结构以及分别位于槽栅结构两侧的发射极结构和浮空p区结构，其中发射极结构、槽栅结构和浮空p区结构均与n型漂移区(3)上表面相接触；所述集电极结构包括p 集电极层(1)和位于p 集电极层(1)上表面的n型缓冲层(2)；由p 集电极层(1)下表面引出集电极；所述槽栅结构由覆盖槽底和槽侧壁的槽栅介质层(7)和被槽栅介质层(7)包围的多晶硅层(8)构成；所述多晶硅层(8)的引出端为栅极；其特征在于：所述发射极结构包括位于n型漂移区(3)上的p型阱区(4)、位于p型阱区(4)上部且相互独立的第一p 体接触区(5)和n 发射极区(6)，其中n 发射极区(6)与槽栅结构接触，还包括发射极电阻(11)以及发射极二极管(12)；所述发射极电阻(11)一端与n 发射极区(6)短接，另一端与发射极相连；所述发射极二极管(12)的阳极端与第一p 体接触区(5)的引出端短接，阴极端与发射极相连；所述浮空p区结构由浮空p型区(9)和位于浮空p型区(9)上部的第二p 体接触区(10)构成；所述第二p 体接触区(10)的引出端与第一p 体接触区(5)短接。2.根据权利要求1所述的一种低功耗功率器件，其特征在于，所述发射极电阻r
p
(11)以及发射极二极管d
p
(12)为外部连接。3.根据权利要求1所述的一种低功耗功率器件，其特征在于，所述发射极电阻r
p(11)
以及发射极二极管d
p
位于浮空p区上方，并通过介质层(13)与浮空p区隔开；所述发射极电阻r
p
由p型多晶硅电阻(110)构成；所述发射极二极管由相互接触的p型区(120)和n型区(121)构成；所述p型多晶硅电阻(110)一端与n 发射极区(6)短接，另一端与发射极相连；所述发射极二极管的p型区(120)与第一p 体接触区(5)的引出端短接，n型区(121)与发射极相连。

技术总结
本发明属于功率半导体技术领域，具体涉及一种低功耗IGBT器件。相对于传统结构，本发明将P 发射极、N 发射极以及浮空P区连到不同的电位，从而自适应控制器件的工作状态。正向导通时，小电压下使发射极的PN结开启增强电导调制效应，大电压时自适应关断使器件饱和。开启过程中，浮空P区与发射极之间的二极管开启，为空穴提供一条通路，减小位移电流，降低了电流过冲。过冲。过冲。


技术研发人员：罗小蓉 马臻 王俊楠 朱鹏臣 杨可萌 苏伟 魏杰
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2022.02.18
技术公布日：2022/5/31