[发明专利]具有降低的正向恢复电压的反向导通绝缘栅双极晶体管

说明书

公开了具有降低的正向恢复电压的反向导通绝缘栅双极晶体管。根据功率半导体器件的实施例，器件包括：半导体衬底，半导体衬底包括具有IGBT的IGBT区和具有二极管的二极管区。IGBT区包括垂直于半导体衬底的第一主表面延伸的多个第一沟槽。二极管区包括垂直于半导体衬底的第一主表面延伸的多个第二沟槽。第二沟槽中的相邻的第二沟槽之间的平均横向间隔大于第一沟槽中的相邻的第一沟槽之间的平均横向间隔。如描述对应的生产方法那样，在此描述了附加的功率半导体器件实施例。

背景技术

反向导通绝缘栅双极晶体管(RC-IGBT)将绝缘栅双极晶体管(IGBT)和续流二极管集成在单个芯片(管芯)上。许多IGBT应用具有其中续流电流从发射极流动到集电极的模式。对于这样的续流操作而言，续流二极管被反并联连接到IGBT。

可以在集成的二极管的阳极处使用如IGBT那样的沟槽图案化处理以提供改进的二极管开关耐用性。在二极管区中形成的所得到的沟槽电极将集成的二极管的阳极与高电场屏蔽，这避免了穿通并且因此提供了开关耐用性。具有足够高的开关耐用性的RC-IGBT可以被使用在采用硬开关的应用中。在硬开关的情况下，在导通-断开转变期间电压和电流被施加到IGBT。因此，当使IGBT硬开关时，集电极电流和集电极-发射极电压急剧地改变。

然而，增加IGBT开关耐用性典型地导致针对集成的二极管的更高的正向恢复电压(Vfr)。当IGBT导通时，二极管阻断。随着IGBT开始关断并且IGBT的开关电流开始换向到二极管中，IGBT的集电极-发射极电压开始增加，并且二极管电压反过来开始下降。随着电流继续换向到二极管中，发生二极管电压的下冲。该下冲通常被称为二极管的正向恢复电压(Vfr)。正向恢复电压Vfr的峰值可能是明显的。例如，对于1200V技术而言，大约300V的Vfr并不罕见。这样的Vfr可能干扰邻近的IGBT的工作并且损坏用于IGBT的栅极驱动器电路。

RC-IGBT的二极管可以包括形成在半导体衬底中的沟槽电极以增强开关耐用性，如在上面解释的那样。从RC-IGBT器件的二极管区中消除沟槽电极强烈地减小二极管Vfr。在没有沟槽电极的二极管中，阳极效率的降低——其是提高二极管性能的优选措施——由于使开关耐用性降低而受到限制。也就是，被高度掺杂的二极管阳极区提供了足够的开关耐用性但却是高度高效的并且使开关损耗增加。因此，没有沟槽电极并且具有被掺杂以使开关损耗最小化的阳极区的RC-IGBT器件可以被使用在其中阳极效率可能相对大的软开关应用中。然而，在硬开关应用中，由于所要求的开关耐用性，因此优选在二极管区中使用沟槽电极。

因此，在阳极效率和开关耐用性之间存在折衷。如果阳极区被高度掺杂，则不需要沟槽电极，因为高度掺杂的阳极提供了足够的开关耐用性，但是以增加的开关损耗为代价。被更低地掺杂的阳极区具有更低的效率，这对于降低开关损耗而言是好的，但是降低了开关耐用性，这对于使用硬开关的应用而言是有问题的。

因此，存在针对具有低的阳极效率和高的开关耐用性的改进的RC-IGBT的需要。

发明内容

根据功率半导体器件的实施例，功率半导体器件包括半导体衬底，半导体衬底包括IGBT(绝缘栅双极晶体管)区和二极管区，IGBT区包括IGBT，二极管区包括二极管，IGBT区在顶视图中具有第一区域并且二极管区在顶视图中具有第二区域，其中IGBT区包括多个第一沟槽，多个第一沟槽包括第一沟槽电极并且垂直于半导体衬底的第一主表面延伸，其中二极管区包括多个第二沟槽，多个第二沟槽具有第二沟槽电极并且垂直于半导体衬底的第一主表面延伸，其中多个第一沟槽提供在IGBT区中的第一沟槽电极和半导体衬底之间的第一电容，并且多个第二沟槽提供在二极管区中的第二沟槽电极和半导体衬底之间的第二电容，其中第二电容的按第二区域的电容密度小于第一电容的按第一区域的电容密度。