[发明专利]利用一种表面耐压层结构的绝缘栅双极型器件

说明书

技术领域

本发明涉及半导体高压器件及功率器件技术，特别是涉及一种表面耐压区应用在绝缘栅控制的双极型器件及晶闸管。

参考文献

[1]“HIGH SPEED IGBT”,U.S.Patent,US 20100219446A1；

[2]"BOTH CARRIERS CONTROLLED THYRISTOR",PCT/CN2011/083710；

[3]"一种用于半导体器件的表面耐压区",中国专利ZL 95108317.1,或“Surface voltage sustaining structure for semiconductor devices”,US 5,726,469；

[4]“低压电源”,ZL 201010000034.2,U.S.8294215B2.

背景技术

众所周知，普通的IGBT在关断过程中存在严重的电流拖尾。已有的提高IGBT开关速度的措施主要有阳极短路的方法、减小耐压区非平衡载流子寿命的方法以及降低发射结注入效率的方法等。但是，这些方法都是以牺牲器件导通时电导调制的效果为代价的，并不能在本质上消除关断时的电流拖尾，而只是实现开关速度与导通压降之间的折衷。

在参考文献[1]“HIGH SPEED IGBT”,U.S.Patent,US 20100219446A1中给出了一种高速IGBT，它的结构及等效电路示意图如图1所示。其中，G为该IGBT的栅电极，K为阴极，A为阳极，B为基极。当G上所加的电压超过器件的阈值电压V_th0时，该IGBT开启。此时，若电极A与B之间的电压不小于由p区110注入大量非平衡空穴到n区102时所需的电压，则在n^-区101中会形成强烈的电导调制，使得导通压降V_AK大大降低。要关断IGBT时，若电极A与B之间的电压小于使p区110有大量非平衡空穴注入n区102时所需的电压，则在关断过程中就没有非平衡空穴从发射结持续注入漂移区，也就消除了IGBT在关断过程中的电流拖尾现象。

在参考文献[2]“BOTH CARRIERS CONTROLLED THYRISTOR”,PCT/CN2011/083710中给出了一种控制两种载流子的晶闸管，它的结构示意图如图2所示。其中A是该晶闸管的阳极，K是阴极，B是基极，其工作原理已在文献[2]中详细描述，这里不再赘述。该器件在关断时，如电极A与电极B之间的电压减小，使得P区110不再向N^-区101继续注入非平衡载流子，则可达到快速关断的目的。

参考文献[1]和[2]都给出了控制电极A与B之间的电压的具体方法。为了方便起见，本专利中除非特别说明，否则都以IGBT器件为例。图3示出了一种通过表面耐压区感应出控制信号来控制电极A与B之间的电压的方法，该图是参考文献[1]中图7的重现，只是各区的符号采用了本专利的符号。其中，在阴极K和n型终止环(Stop Ring)400之间的p区168是按照文献[3]“<一种用于半导体器件的表面耐压区>，陈星弼，中国专利ZL 95108317.1,或“Surface voltage sustaining structure for semiconductor devices”,US5,726,469”所述的表面耐压区。在IGBT关断时，随着阳极和阴极之间的电压V_AK增加，p区500上会感应出略低于衬底的中性区200的电位，可供中性区200内所设置的p-MIST导通。p-MIST导通后，其源漏区电位接近。从而使得p区110和n区111短接，阻止了非平衡载流子由p区110注入n^-区101。

上述p区500获得感应电位的方法是由于阳极A和阴极K之间的电压V_AK变化而被动产生。实际上，在IGBT关断的开始阶段，阳极和阴极之间的电压V_AK很小，因此p区500上感应出的电位也很小；而且，在V_AK很小时，p型表面耐压区168与n^-型衬底区101之间的耗尽区很薄，因此这两个区之间存在较大的微分电容，流经表面耐压区的电流大部分被用于该电容的充放电，从而使得p区500上感应出的电压变化幅度很小，且相比于V_GK的电压变化有较大延迟。

发明内容

本发明的目的是利用绝缘栅控制的双极型器件的栅源电压直接或间接地通过表面耐压区产生控制信号来控制发射结电压。