[发明专利]集成采样结构的垂直型半导体结构及其制作方法

说明书

本发明提供了一种集成采样结构的垂直型半导体结构及其制作方法，集成采样结构的垂直型半导体结构包括：垂直型半导体结构原胞、采样原胞、控制电极、第一电极、第二电极及采样电极。根据本发明的实施例，一则，采样电极可对第一电极与第二电极之间的电压差进行实时采样；采样原胞的第一/二P型扩散区与第二N型基区之间都形成PN结，该PN结形成了阻挡采样电极端电子发射的势垒，因而，将采样电极的电压信号输入到保护电路，保护电路在同时判断垂直型半导体结构原胞处于打开状态时，可安全快速检测垂直型半导体结构是否处于退饱和状态。二则，在采样电极与第一电极之间串联采样电阻，采样电极正电压会增大该势垒高度，可保证采样原胞稳定工作。

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种集成采样结构的垂直型半导体结构及其制作方法。

背景技术

垂直型半导体结构，例如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)不同于平面型半导体结构，通过垂直于衬底的沟道，可有效提升载流子浓度，降低通态压降和提升电流密度，目前逐渐成为占主导地位的功率器件。IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,结合了MOS电压控制和BJT电导调制电流的特性，具有输入阻抗高、开关损耗小、速度快、电压驱动功率小等特点，广泛地应用于电力输变送、高速列车牵引、工业驱动、清洁能源等诸多领域。

垂直型半导体结构因自身具有高电压大电流的特点，在应用过程中会面临短路的情况，即同时承受高电压大电流，器件会在微秒级时间内因发热烧毁。

当前相关短路保护常用方案有退饱和检测方法和利用霍尔电流传感器检测沟道电流并实施保护。例如，IGBT的退饱和检测方法是对IGBT的V_CE电压进行直接采样，利用IGBT在短路时的退饱和特性检测其是否处于短路状态；霍尔电流传感器是利用IGBT短路时时电流会远远超过IGBT正常工作电流来判断其是否处于短路状态。

霍尔电流传感器具有延时较高，体积大的劣势；而退饱和检测方法，外围电路需对高于几百伏的强电进行采样，需要相应的高压二极管及其他防止高电压直接进入驱动的保护措施，外围电路成本较高。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种集成采样结构的垂直型半导体结构及其制作方法，以解决相关技术中的问题。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供一种集成采样结构的垂直型半导体结构，包括：

垂直型半导体结构原胞，包括：第一N型基区、伸入所述第一N型基区内的P型阱区、自所述P型阱区伸入所述第一N型基区的控制区、位于所述P型阱区上部的P型欧姆接触区与N型源区，所述N型源区位于所述P型欧姆接触区的两侧，以及位于所述第一N型基区下方的第一N型缓冲层；

采样原胞，包括：第二N型基区、伸入所述第二N型基区内的第一P型扩散区与第二P型扩散区，所述第一P型扩散区与所述第二P型扩散区之间形成电子通道、位于所述电子通道上部的N型欧姆接触区，以及位于第二N型基区下方的第二N型缓冲层；

控制电极，连接于所述垂直型半导体结构原胞的控制区；

第一电极，连接于所述垂直型半导体结构原胞的P型欧姆接触区与N型源区，以及所述采样原胞的第一P型扩散区与第二P型扩散区；

第二电极，连接于所述垂直型半导体结构原胞的第一N型缓冲层与所述采样原胞的第二N型缓冲层；

采样电极，连接于所述采样原胞的N型欧姆接触区。

可选地，所述垂直型半导体结构为IGBT，所述第一电极为发射极；所述IGBT原胞还包括：位于所述第一N型缓冲层下方的第一P型集电区，所述采样原胞还包括：位于所述第二N型缓冲层下方的第二P型集电区；所述第二电极为集电极，连接于所述IGBT半导体结构原胞的第一P型集电区与所述采样原胞的第二P型集电区。