一種通過MOSFET控制結終端集成體二極管的RC-IGBT器件制造技術

本發明專利技術涉及RC?IGBT，屬于半導體功率器件領域，包括從上至下設置的陰極層、N?漂移區、N緩沖層和集電區，集電區包括同層設置的N集電區和P集電區，陰極層內間隔設置有若干多晶硅柵電極，每個柵電極被SiO2柵氧化層包圍；RC?IGBT器件從左到右為有源區、過渡區和結終端區，結終端區底層完全由N集電區構成。本發明專利技術利用結終端區集成了體二極管，結終端的場限環P?ring作為二極管的陽極，結終端區底層的N集電區作為二極管的陰極，其導通狀態受集成在過渡區的MOSFET的控制。本發明專利技術所提出的RC?IGBT器件在正向導通IGBT模式下能徹底消除snapback現象，且正向導通壓降降低了19.4%，這種結構大大提高了RC?IGBT的性能。

【技術實現步驟摘要】
一種通過MOSFET控制結終端集成體二極管的RC-IGBT器件
本專利技術涉及半導體功率器件領域，具體涉及一種通過MOSFET控制結終端集成體二極管的RC-IGBT器件。
技術介紹
IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor,絕緣柵雙極型晶體管)因其耐壓等級可以從600V跨度到6500V，被廣泛應用于高鐵、新能源開發、家用電器、智能電網等領域。但IGBT是一個單向導通器件，反向導通時等效于兩個背靠背的二極管從而無法導通。在IGBT典型逆變電路應用中就需要反并聯一個續流二極管FWD(FreeWheelingDiode)以作保護作用。RC-IGBT(Reverse-ConductingInsulatedGateBipolarTransistor,逆導型絕緣柵雙極型晶體管)將IGBT的部分集電極P-Collector用N-Collector取代，集電極P-Collector和N-Collector間隔排列其結構如圖1所示。使得原來IGBT中兩個背靠背二極管P-body/N-drift，N-buffer/P-Collector變成了P-body/N-drift，N-buffer/N-Collector一個二極管結構，實現了IGBT內部二極管的集成。不但提高了芯片的集成度還能夠節約成本，消除了IGBT芯片與二極管芯片之間存在的溫度差，提高了可靠性。但是傳統RC-IGBT有存在自身的一些缺點：一方面由于N-Collector的引入，從MOS流出的電子在流向集電極時首先流向低勢壘的N-Collector，并在底部的PN結(P-Collector/N-buffer)上產生一個電勢差VPN如圖2所示。當VPN<0.7V時只有電子參與導電，RC-IGBT工作在單極性導電模式下。當VPN≥0.7V時,P-Collector向漂移區注入空穴，RC-IGBT工作在雙極性導電模式下。由于兩種導電模式的轉換導致了輸出曲線上電流電壓的突變，即出現了負阻Snapback現象。這種現象使得RC-IGBT在并聯使用時一些器件完全不能進入IGBT的工作模式，一些器件則因電流過大溫度過高造成器件燒毀，最終導致整個電路系統崩潰。另一方面，傳統RC-IGBT器件版圖如圖3所示，由于N-Collector作為FWD的陰極，其上方區域為FWD區，P-Collector作為IGBT的陽極，其上方區域為IGBT區，傳統RC-IGBT的IGBT與FWD混合在同一個有源區內(Activeregion)。這樣傳統RC-IGBT不論工作在IGBT正向導通模式或者FWD反向導通模式，都只有有源區導通電流，而結終端區(Edgetermination)面積很大如圖1圖3所示，卻只起到一個承受反向擊穿電壓的作用，無導通電流流過，造成電流分布不均勻且芯片利用率低。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術的目的在于提供一種通過MOSFET控制結終端集成體二極管的RC-IGBT器件。本專利技術的目的是通過以下技術方案來實現的，一種通過MOSFET控制結終端集成體二極管的RC-IGBT器件，包括從上至下設置的陰極層、N-漂移區6、N緩沖層7和集電區，所述集電區包括同層設置的N集電區8和P集電區9，所述陰極層內間隔設置有若干多晶硅柵電極2，相鄰兩個多晶硅柵電極間形成有源發射極4，每個多晶硅柵電極被SiO2柵氧化層3包圍；每個有源發射極的下方設置有一個P-body區5，P-body區5位于N-漂移區6的頂部，P-body區5內設置有與有源發射極連接的N+有源區1；絕緣柵雙極型晶體管從左到右依次分為有源區、過渡區和結終端區，所述結終端區的底層完全由N集電區8構成。進一步，所述結終端區內的陰極層內間隔設置有若干SiO2場氧化層15，相鄰兩個SiO2場氧化層連接一個場限位環P-ring14，場限位環P-ring位于N-漂移區內，場限位環P-ring與RC-IGBT內部集成的體二極管的陽極連接，N集電區與RC-IGBT內部集成的體二極管的陰極連接。進一步，所述過渡區的等位環10內設置有MOSFET，MOSFET的源極11和漏極12位于過渡區的等位環10內，MOSFET的柵極13位于SiO2柵氧化層3內；MOSFET的源極11與結終端區的金屬相連，漏極12與有源區的陰極金屬相連，柵極13與漏極12以及有源區的陰極金屬相連，源極與漏極之間的溝道開通與關斷狀態通過MOSFET柵極13控制。由于采用以上技術方案，本專利技術具有以下優點：本專利技術所提出的一種通過MOSFET控制結終端集成體二極管的RC-IGBT器件，在正向導通IGBT模式下徹底消除了snapback現象，且正向導通壓降降低了19.4％。在反向導通FWD模式下，通過結終端集成了體二極管，該二極管具有軟的反恢復特性，且整個反向恢復過程中無電流和電壓的波動。綜上所述，這種新結構RC-IGBT大大提高了傳統RC-IGBT的綜合性能。附圖說明為了使本專利技術的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本專利技術作進一步的詳細描述，其中：圖1是傳統RC-IGBT結構示意圖；圖2是傳統RC-IGBT正向導通過程中存在的兩種導電模式；其中集電極P-Collector與緩沖層n-buffer之間的電壓差VPN<0.7V時，傳統RC-IGBT工作在單極性導電模式，當VPN>0.7V時,傳統RC-IGBT工作在雙極性導電模式；圖3是傳統RC-IGBT的版圖結構；其中傳統RC-IGBT的部分集電極P-Collector被N-Collector所取代，P-Collector與N-Collector間隔排列在集電極上，P-Collector上方區域為IGBT區，N-Collector上方區域為FWD區，故IGBT與FWD混合在一起，即二極管集成在有源區；圖4是本專利技術提出的一種通過MOSFET控制結終端集成體二極管的RC-IGBT器件；圖5是新結構RC-IGBT的版圖結構；新結構RC-IGBT將傳統RC-IGBT的P-Collector和N-Collector整合后并分離開來，此時N-Collector分布在結終端區域，作為FWD的陰極，其上方區域為FWD區，P-Collector分布在有源區，作為IGBT的陽極，其上方區域為IGBT區，實現了FWD與IGBT有源區的分離，即二極管集成在結終端區；圖6是一種通過MOSFET控制結終端集成體二極管的RC-IGBT器件的拓撲結構，即應用于槽柵trench結構RC-IGBT；圖7是一種通過MOSFET控制結終端集成體二極管的RC-IGBT器件的拓撲結構，即應用于Super-junction結構RC-IGBT；圖8是室溫下T＝300K時，長度均為450um的新結構RC-IGBT與傳統RC-IGBT在正向導通IGBT模式與反向導通FWD模式下的電流電壓仿真比較圖；其中IGBTmode為正向導通IGBT模式，DIODEmode為反向導通FWD模式；圖9是新結構RC-IGBT、傳統的RC-IGBT分別在正向導通與反向導通狀態下，當電流密度達到150A/cm2時的電流分布圖；其中A點代表傳統RC-IGBT在正向導通時的電流分布，B點代表新結構RC-IGBT在正向導通時的電流分布，C點代表傳統RC-I本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種通過MOSFET控制結終端集成體二極管的RC?IGBT器件，其特征在于：包括從上至下設置的陰極層、N?漂移區(6)、N緩沖層(7)和集電區，所述集電區包括同層設置的N集電區(8)和P集電區(9)，所述陰極層內間隔設置有若干多晶硅柵電極(2)，相鄰兩個多晶硅柵電極間形成有源發射極(4)，每個多晶硅柵電極被SiO

【技術特征摘要】
1.一種通過MOSFET控制結終端集成體二極管的RC-IGBT器件，其特征在于：包括從上至下設置的陰極層、N-漂移區(6)、N緩沖層(7)和集電區，所述集電區包括同層設置的N集電區(8)和P集電區(9)，所述陰極層內間隔設置有若干多晶硅柵電極(2)，相鄰兩個多晶硅柵電極間形成有源發射極(4)，每個多晶硅柵電極被SiO2柵氧化層(3)包圍；每個有源發射極的下方設置有一個P-body區(5)，P-body區(5)位于N-漂移區(6)的頂部，P-body區(5)內設置有與有源發射極連接的N+有源區(1)；逆導型絕緣柵雙極型晶體管從左到右依次分為有源區、過渡區和結終端區，所述結終端區的底層完全由N集電區(8)構成。2.根據權利要求1所述的一種通過MOSFET控制結終端集成體二極管的RC-IGBT器件，其特征在于：所述結終端區內的陰極層內間隔設...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳偉中，郭喬，賀利軍，黃義，
申請(專利權)人：重慶郵電大學，
類型：發明
國別省市：重慶,50