[发明专利]一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT

说明书

技术领域

一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，属于半导体功率器件技术领域。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管，是目前发展最快的一种混合型电力电子器件。它具有MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高的优点，又具有双极功率晶体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点。广泛应用于电磁炉、UPS不间断电源、汽车电子点火器、三相电动机变频器、电焊机开关电源等产品中作为功率开关管或功率输出管。

1980年代初研究成功并投产的绝缘栅双极型晶体管是非透明集电区穿通型绝缘栅双极型晶体管，今天简称为穿通型绝缘栅双极型晶体管，其结构如图1所示，它是在高浓度的P⁺衬底22上依次外延N型缓冲层33、N型基区4后制造成的绝缘栅双极型晶体管结构。由于存在N型缓冲层33，电场在N型缓冲层33中将得到终止，从而形成一个梯形的电场分布，如图1所示，故可利用较薄的N型基区即可得到较高的击穿电压，有利于降低导通电阻，从而降低静态功耗，但是由于P⁺衬底相对较厚，浓度很高，使得背发射结的注入效率很高，关断时电子基本不能从背发射区流出，只靠在基区的复合消失，从而其关断时间很长，增大了开关损耗。为了改善其开关特性，必须控制少子寿命，已采用诸如电子辐照、氦离子注入的方法降低少子寿命，也有人用掺入重金属元素控制少子寿命。但是，这样一来，会导致导通压降成负温系数，这种导通压降的负温系数特性不利于绝缘栅双极型晶体管的并联使用，因为如果其中一支绝缘栅双极型晶体管的电流偏大一些，热电正反馈效应会使电流越来越集中在这支绝缘栅双极型晶体管中，使其温度越来越高，最终导致器件烧毁。而且绝缘栅双极型晶体管的正向导通和开关特性对少子寿命的控制有相反的要求，即少子寿命的减小，会导致正向导通压降增大，这些都会对性能控制和制造工艺带来一定难度。此外，在制造大于600V的高压穿通型绝缘栅双极型晶体管时，所需外延层厚度的增加，使得制造成本大大增加。

针对穿通型绝缘栅双极型晶体管的缺点，开发了非穿通型绝缘栅双极型晶体管，其结构如图2所示。它最主要的变革是：采用了高电阻率的FZ(区熔)单晶替换昂贵的外延片，晶体完整性和均匀性得到充分满足，在硅片背面用注入和退火的方法形成发射效率较低且较薄的P区。这一般称之为“透明集电区”，采用此技术，可以使得绝缘栅双极型晶体管在关断时， N型基区的大量过剩电子可以以扩散的方式穿透极薄的P区，而达到快速关断的效果。由于采用了透明集电区技术，使得非穿通型绝缘栅双极型晶体管与穿通型绝缘栅双极型晶体管相比，具有以下主要性能特点：导通压降呈正温度系数，功耗和电流拖尾随温度的变化小；由于对纵向PNP的发射效率有所降低和控制，明显改善了关态的延迟；因不用外延片和不用寿命控制技术而成本低。自非穿通型绝缘栅双极型晶体管发明以来，以后出现的绝缘栅双极型晶体管基本都采用透明集电区技术。但是，非穿通型绝缘栅双极型晶体管的实际关断损耗要比由通常所定义的关断损耗所得的计算值要大得多。文献J.Yamashita，T.Yamada，S.Uchida，H.Yamaguchi and S.Ishizawa，″A Relation between Dynamic Saturation Characteristics and TailCurrent of Non-Punchthrough IGBT″，ConfRec.of 31st IAS Annual Meeting，vol.3，pp.1425-1432，1996指出，计算上集电极额定电流10％以下的拖尾电流(几十微秒)所产生的损耗，非穿通型绝缘栅双极型晶体管的实际关断损耗要比根据一般意义上定义的关断损耗的计算值大2-3倍，这主要是由于非穿通型绝缘栅双极型晶体管的N型基区太厚造成的，所以有必要进一步降低非穿通型绝缘栅双极型晶体管的关断损耗。另一方面，非穿通型绝缘栅双极型晶体管在采用透明集电区技术提高开关速度的同时，由于没有了N型缓冲层，电场将终止于N型基区，从而形成一个三角形的电场分布，如图2所示，故为了保证耐压必须采用相对较宽的N型基区，导致导通电阻的增大，也就增加了静态损耗。特别是在承受高电压时，电导调制效应将会明显减弱，特别是在靠近发射极的N^-基区和JFET区，导通损耗增加将更为显著。所以，只通过降低背发射区注入效率来折衷导通压降和关断损耗的矛盾关系，其作用是很有限的，文献K.Sheng，F.Udrea，G.A.J.Amaratunga，“Optimum carrier distribution of theIGBT”(绝缘栅双极型晶体管载流子浓度分布的优化)，Solid-State Electronics 44，1573-1583，2000指出，要实现正向导通压降和关断损耗之间较好的优化，这和载流子在N^-基区的分布密切相关，增大发射极一侧载流子的浓度，降低集电极一侧载流子的浓度有利于实现它们之间更好的优化。