[发明专利]具有降低的操作电压的NPNP分层MOS栅控沟槽装置

说明书

本申请案涉及具有降低的操作电压的npnp分层MOS栅控沟槽装置。将npnp分层开关修改为具有复合阳极结构。代替典型的npnp IGTO装置、晶闸管或IGBT的连续p型底部阳极层，所述复合阳极由具有含有n型半导体材料的间隙的分段p型层形成。所述n型材料在底部阳极电极与纵向npn双极晶体管的n型集电极之间形成多数载流子路径。当带沟槽栅极被加偏压为高时，在所述底部阳极电极与顶部阴极电极之间形成所述多数载流子路径。此电流路径在非常低的操作电压下操作，从略高于0伏起始。高于约1.0伏的操作电压，所述npnp分层开关正常操作且使用再生双极晶体管作用来传导所述电流的绝大多数。所述两个电流路径并联传导。

相关申请案的交叉参考

本申请案基于Paul M.Moore等人在2021年5月18日申请的第63/190,026号美国临时申请案，所述申请案被转让给本受让人且以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及绝缘栅极功率装置，例如IGBT、绝缘栅极控制晶闸管、绝缘栅极关断(IGTO)装置，及使用npnp或pnpn分层结构的其它类型的MOS栅控半导体开关，且特定来说涉及降低此结构的最小操作电压的“复合阳极”设计。

背景技术

本发明是对使用双极作用而非严格的MOSFET作用进行传导的许多类型的npnp或pnpn分层结构的改进。本发明适用于纵向及横向绝缘栅极装置，尽管在实例中将主要详细地描述纵向装置。

在纵向n通道MOSFET中，带沟槽的绝缘栅极在上n+源极层与下n-漏极层之间反转靠近沟槽壁的p本体层以在两个n型层之间产生导电n型沟道。电流传导仅由多数载流子进行。相反，在npnp装置中，多数及少数载流子是传导机制的部分。当被接通时，npnp装置，例如IGTO装置对于电流对电压曲线图的大部分通常具有低于纵向MOSFET的正向电压的正向电压(其阳极与阴极之间的电压)，如图1中所说明。高电流装置非常期望较低的正向电压以最小化热量且由此改进装置效率。

在图1中，将IGTO装置(npnp装置)的电流对电压(I对V)与简单MOSFET的电流对电压进行比较。MOSFET产生相当线性的I对V曲线且即使在非常低的电压下也良好地操作。另一方面，IGTO装置依赖于双极晶体管作用，因此当阳极-阴极电压小于约1.0伏时，其电流近似为零。高于1.0伏时，IGTO的双极再生作用导致低正向电压与高电流。

需要使用npnp或pnpn结构的开关的新设计，其中所述开关可在较低电压下传导大量电流，例如低到约0伏。一些应用需要在此低操作电压下操作，因此对于此类应用，可使用更高效的npnp IGTO代替MOSFET开关。

在图2中，描述纵向传导的npnp分层IGTO装置10的一个实例，尽管本发明可与几乎所有类型的npnp或pnpn分层结构一起使用以降低操作电压。

申请人的美国专利8,878,238(以引用的方式并入)公开一种将用作可受益于本发明的许多类型的绝缘栅极功率装置中的一者的实例的纵向功率装置(IGTO装置)。将详细地描述来自美国专利8,878,238的绝缘栅极功率装置，且本发明稍后将被描述作为对此装置及相关装置的修改以降低操作电压。

现有技术图2是美国专利8,878,238中所描述的纵向功率装置的小部分的横截面视图。尽管图2仅展示蜂窝功率装置的边缘部分，但本发明适用于蜂窝阵列内的所有区域。

三个单元被展示为具有形成在绝缘沟槽141A中的纵向栅极143(例如，掺杂多晶硅)。沟槽141B用于多晶硅连接到所有栅极143且可不被视为单元。形成例如条带或矩形网格的单元的二维阵列可形成在共同的轻掺杂p阱107(充当p基极)中，且所述单元并联连接。

n+区129环绕一些或所有栅极143且通过具有阴极端子101的顶部金属阴极电极127接触。n+区129可通过植入或通过其它已知的掺杂剂引入方法形成。