一种光增强消除折回现象的逆导型IGBT器件的制作方法

一种光增强消除折回现象的逆导型igbt器件
技术领域
1.本发明涉及功率半导体领域，尤其涉及一种光增强消除折回现象的逆导型igbt器件。


背景技术：

2.功率器件又称电力电子器件，具有高电压、大电流的处理能力。目前主流的功率器件类型包括mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)、igbt(绝缘栅双极型晶体管)、gto(可关断晶闸管)、bjt(双极型三极管)等。
3.igbt兼具有mosfet驱动电路简单、开关速度快和bjt导通电阻低的优点，在电力电子领域具有广泛的应用前景。
4.然而，传统的igbt器件缺少体二极管，无法在实际应用中起到自行续流的功能，因此常常需要反并联一个功率二极管进行续流以保护电路。但是，在外电路引入一个二极管会增加模块的体积以及功耗，并且带来成本的增加。因此研究人员基于传统的igbt研制出了逆导型igbt(rc-igbt)，通过在igbt中引入体二极管，帮助器件在电流反向时进行续流。但是逆导型igbt在使用中还有若干问题需要克服解决，其中最重要的问题之一便是正向输出特性的折回效应。在逆导型igbt导通初期，电流较小，器件以单极型的mosfet模式导通，集电极电压较大；但是当集电极电压增加到大于某值后，rc-igbt的集电结被打开，集电极的大量载流子进入漂移区引起电导调制效应，器件进入双极型的igbt工作模式，电流迅速增加，电压出现较大幅度下降，发生折回(snap-back)现象，器件表现出负阻效应。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种光增强消除折回现象的逆导型igbt器件，以消除传统逆导型igbt正向输出特性的折回效应并且提高igbt器件的导通电流。
6.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种光增强消除折回现象的逆导型igbt器件，由多个元胞并联形成，各所述元胞结构包括：
8.p型掺杂集电区(1)、n型掺杂集电区(2)、n型掺杂漂移区(3)、n型掺杂缓冲层(4)、n型掺杂漂移区(5)、p型掺杂的阱区(6)、n型掺杂的源区(7)、p型掺杂的基区(8)、p型掺杂的沟道区(9)、氧化层(10)、栅极电极(11)、发射极电极(12)、集电极电极(13)、led元胞(14)。
9.所述n型掺杂漂移区(3)位于p型掺杂集电区(1)和n型掺杂集电区(2)的上方；所述n型掺杂缓冲层(4)位于n型掺杂漂移区(3)的上方；所述n型掺杂漂移区(5)位于所述n型掺杂缓冲层(4)的上方；所述p型掺杂的阱区(6)位于n型漂移区(5)的上方；所述n型掺杂的源区(7)位于p型掺杂的阱区(6)的内部；所述p型掺杂的基区(8)位于p型掺杂的阱区(6)的内部；p型掺杂的沟道区(9)位于jfet区和n型掺杂的源区(7)之间；所述氧化层(10)位于p型掺杂的沟道区(9)和jfet区的上方；所述栅极电极(11)位于氧化层(10)的上方；所述发射极电
极(12)位于n型掺杂的源区(7)与p型掺杂的基区(8)的上方；所述集电极电极(13)位于p型掺杂集电区(1)和n型掺杂集电区(2)的下方；所述第一led元胞(14)位于氧化层(10)的上方；所述第二led元胞(15)位于发射极电极(12)的内部，p型掺杂的基区(8)的上方。
10.所述p型掺杂集电区(1)和n型掺杂集电区(2)的掺杂浓度为1
×
10
18
～5
×
10
19
cm-3
，厚度为1～20μm。
11.所述n型掺杂漂移区(3)的掺杂浓度为1
×
10
14
～1
×
10
15
cm-3
，所述n型掺杂缓冲层(4)的掺杂浓度为1
×
10
16
～1
×
10
18
cm-3
，n型掺杂漂移区(3)和n型掺杂缓冲层(4)的厚度为0.2～5μm。
12.所述n型掺杂漂移区(5)的掺杂浓度为1
×
10
14
～1
×
10
15
cm-3
，厚度依照所需要实现的阻断电压设定为30～220μm。
13.所述p型掺杂的阱区(6)的掺杂浓度为2
×
10
16
～5
×
10
19
cm-3
，深度为0.2～1.5μm。
14.所述n型掺杂的源区(7)的掺杂浓度为1
×
10
16
～1
×
10
20
cm-3
，深度为0.2～0.8μm。
15.所述p型掺杂的基区(8)的掺杂浓度为1
×
10
16
～1
×
10
20
cm-3
，深度为0.2～1.5μm。
16.所述p型掺杂的沟道区(9)的掺杂浓度为1
×
10
15
cm-3
～5
×
10
17
cm-3
，深度为0.1～1.5μm。
17.优选的，led元胞的发光波长为30～1800nm；顶部栅极开孔，通过植入led元胞实现光线入射到jfet区，产生光生载流子。
18.优选的，igbt器件使用的材料根据使用场景的不同可以是硅或者碳化硅。
19.优选的，led元胞的材料根据igbt所用半导体材料的不同，可以选取algan或者inalgaas等以调整发光波长，在igbt内部产生光生载流子。
20.本发明相较于传统逆导型igbt器件，具有以下优点：
21.1、本发明通过引入光注入手段，加强逆导型igbt器件在jfet区和漂移区的电导调制效应，增大器件的电流，使器件能够提前进入双极型导通状态，从而消除逆导型igbt器件的折回(snap-back)现象。
22.2、本发明可应用于高压领域，器件的制备工艺和现有的平面型igbt器件工艺相兼容。
23.3、本发明引入光注入手段，增强了igbt器件在jfet区和漂移区的电导调制效果，增加了通态时器件jfet区和漂移区的载流子浓度，降低了器件的导通电阻，提高了器件的导通特性。
24.4、本发明加强了逆导型igbt的续流特性。由于光注入效应的存在，逆导型igbt的n型集电区可以使用较大的宽度而不发生折回(snap-back)现象，而大的n型集电区宽度可以极大增强逆导型igbt反向导通时寄生pin的电导调制，获得很低的反向导通电阻，使逆导型igbt的续流特性大为增强。
附图说明
25.图1为本发明实施例和对比例1、对比例2器件的元胞结构示意图；
26.图2为本发明实施例的结构俯视示意图；
27.图3为本发明实施例的器件和对比例1器件的正向导通特性的对比；
28.图4为本发明实施例的器件和对比例2器件的正向导通特性的对比；
29.图5为对比例2器件(a)与本发明实施例的器件(b)在栅压为10v、集电极电压为15v的正向导通状态下的电流密度分布图；
30.图6为本发明实施例的器件在不同n型集电区宽度的条件下的正向导通与反向导通特性图。
具体实施方式
31.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。
32.为消除传统逆导型igbt在正向导通状态下的折回现象并增强逆导型igbt器件的导通特性，本发明提供了一种光增强消除折回现象的逆导型igbt器件。
33.参见图1(a)所示，本实施例一种光增强消除折回现象的逆导型igbt器件，由多个元胞并联形成，各所述元胞的结构包括：p型掺杂集电区(1)、n型掺杂集电区(2)、n型掺杂漂移区(3)、n型掺杂缓冲层(4)、n型掺杂漂移区(5)、p型掺杂的阱区(6)、n型掺杂的源区(7)、p型掺杂的基区(8)、p型掺杂的沟道区(9)、氧化层(10)、栅极电极(11)、发射极电极(12)、集电极电极(13)、led元胞(14)；
34.所述n型掺杂漂移区(3)位于p型掺杂集电区(1)和n型掺杂集电区(2)的上方；所述n型掺杂缓冲层(4)位于n型掺杂漂移区(3)的上方；所述n型掺杂漂移区(5)位于所述n型掺杂缓冲层(4)的上方；所述p型掺杂的阱区(6)位于n型漂移区(5)的上方；所述n型掺杂的源区(7)位于p型掺杂的阱区(6)的内部；所述p型掺杂的基区(8)位于p型掺杂的阱区(6)的内部；p型掺杂的沟道区(9)位于jfet区和n型掺杂的源区(7)之间；所述氧化层(10)位于p型掺杂的沟道区(9)和jfet区的上方；所述栅极电极(11)位于氧化层(10)的上方；所述发射极电极(12)位于n型掺杂的源区(7)与p型掺杂的基区(8)的上方；所述集电极电极(13)位于p型掺杂集电区(1)和n型掺杂集电区(2)的下方；所述led元胞(14)位于氧化层(10)的上方。
35.所述p型掺杂集电区(1)和n型掺杂集电区(2)的掺杂浓度为1
×
10
19
cm-3
，厚度为3μm。
36.所述n型掺杂漂移区(3)的掺杂浓度为2
×
10
14
cm-3
，所述n型掺杂缓冲层(4)的掺杂浓度为1
×
10
17
cm-3
，n型掺杂漂移区(3)和n型掺杂缓冲层(4)的厚度为0.2～5μm。
37.所述n型掺杂漂移区(5)的掺杂浓度为2
×
10
14
cm-3
，厚度依照所需要实现的阻断电压设定为30～220μm。
38.所述p型掺杂的阱区(6)的掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
，深度为0.2～1.5μm。
39.所述n型掺杂的源区(7)的掺杂浓度为5
×
10
17
cm-3
，深度为0.2～0.8μm。
40.所述p型掺杂的基区(8)的掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
，深度为0.2～1.5μm。
41.所述p型掺杂的沟道区(9)的掺杂浓度为5
×
10
16
cm-3
，深度为0.1～1.5μm。
42.所述led元胞(14)的长度和宽度为10μm，高度为3μm，发光波长为360nm，可在碳化硅igbt器件内部产生光生载流子。
43.参见图1(b)所示为传对比例1器件的元胞示意图，其基本参数与本实施例器件相同，但是没有在栅极和发射极集成led元胞。
44.参见图1(c)所示为对比例2器件的元胞示意图，其基本参数与本实施例器件相同，但是没有在栅极和发射极集成led元胞，并且不具有浮空缓冲层结构以及n型集电区。
45.图2为本发明实施例的俯视示意图。如图所示，led元胞集成于器件栅极的内部，当器件正向导通时，栅极施加正电压，栅极集成的led元胞发光并在igbt器件内部产生光生载流子。
46.图3显示了本发明实施例的逆导型igbt器件和对比例1器件的正向导通特性的对比。可以看到，对比例1器件在导通初期，电流较小，器件以单极型的mosfet模式导通，集电极电压较大；但是当集电极电压增加到大于某值后，器件的集电结被打开，集电极的大量载流子进入漂移区引起电导调制效应，电流迅速增加，电压出现较大幅度下降，发生折回(snap-back)现象，器件表现出负阻效应。而本发明实施例的逆导型igbt器件可以在器件导通初期就引入光生载流子，使器件在导通初期就进入双极型导通状态，增大流经器件的电流，促进器件底部集电结的开启，消除困扰传统逆导型igbt器件的折回(snap-back)现象。
47.图4显示了本发明实施例的逆导型igbt器件和对比例2器件的正向导通特性(器件的集电极和栅极施加正电压，发射极施加零偏压)的对比。可以看到，对比例2器件在正向导通时由于低掺杂jfet区较差的电导调制，使得jfet区具有较高的导通电阻，降低了器件的导通电流。同时，由于igbt器件漂移区较低的掺杂浓度，导致在通态器件的漂移区载流子浓度较低，具有较大的漂移区导通电阻，限制了器件的导通特性。而本发明的逆导型igbt器件通过在栅极引入led元胞，使其在igbt器件导通时向器件的jfet区以及漂移区进行光注入，从而在igbt的低阻的jfet区和漂移区产生光生载流子，大大增加了igbt器件在导通时内部的载流子数量，极大提高了igbt器件的导通电流，降低了器件的导通电阻，使其从对比例2器件的43.95mω
·
cm2降低到本发明实施例的逆导型igbt器件的9.71mω
·
cm2，降低77.91％。
48.图5显示了对比例2器件(a)与本发明实施例的逆导型igbt器件(b)在栅压为10v、集电极电压为15v的正向导通状态下的电流密度分布图。可以看到，本发明实施例的逆导型igbt器件其电流密度远大于对比例2器件，这是由于本发明实施例的逆导型igbt器件通过在jfet区和漂移区产生大量光生载流子，大大增大了igbt器件在导通时的载流子浓度，从而增加了器件的电流密度。
49.图6显示了本发明实施例的逆导型igbt器件在不同n型集电区宽度时的正向导通(a)与反向导通(b)特性曲线(反向导通状态指的是器件的集电极施加负电压，发射极施加零偏压，栅极施加零偏压或负电压)。可以看到，在一定范围内，可以通过增加n型集电区宽度以获得更好的反向导通特性，并且不显著降低器件的导通电流。这是因为由于光注入机制的引入，igbt器件导通时的双极型载流子不止由底部集电极的少子注入决定，还取决于入射光在igbt器件内所产生的光生载流子。在光注入存在的情况下，增加n型集电区宽度、减小p型集电区宽度虽然减小了器件导通时集电区向漂移区的少子注入，但是由于还有很多光注入产生的光生载流子存在，器件总体的导通电流降低便不显著。另一方面，值得注意的是，由于光注入效应的存在，n型集电区可以取得较高的宽度而不发生折回(snap-back)现象，而大的n型集电区宽度可以极大增强逆导型igbt反向导通时寄生pin二极管的电导调制，获得很低的反向导通电阻，使逆导型igbt的续流特性大大增强。

技术特征：
1.一种光增强消除折回现象的逆导型igbt器件，其特征在于：由多个元胞并联形成，各所述元胞的结构包括：p型掺杂集电区(1)、n型掺杂集电区(2)、n型掺杂漂移区(3)、n型掺杂缓冲层(4)、n型掺杂漂移区(5)、p型掺杂的阱区(6)、n型掺杂的源区(7)、p型掺杂的基区(8)、p型掺杂的沟道区(9)、氧化层(10)、栅极电极(11)、发射极电极(12)、集电极电极(13)、led元胞(14)；所述n型掺杂漂移区(3)位于p型掺杂集电区(1)和n型掺杂集电区(2)的上方；所述n型掺杂缓冲层(4)位于n型掺杂漂移区(3)的上方；所述n型掺杂漂移区(5)位于所述n型掺杂缓冲层(4)的上方；所述p型掺杂的阱区(6)位于n型漂移区(5)的上方；所述n型掺杂的源区(7)位于p型掺杂的阱区(6)的内部；所述p型掺杂的基区(8)位于p型掺杂的阱区(6)的内部；p型掺杂的沟道区(9)位于jfet区和n型掺杂的源区(7)之间；所述氧化层(10)位于p型掺杂的沟道区(9)和jfet区的上方；所述栅极电极(11)位于氧化层(10)的上方；所述发射极电极(12)位于n型掺杂的源区(7)与p型掺杂的基区(8)的上方；所述集电极电极(13)位于p型掺杂集电区(1)和n型掺杂集电区(2)的下方；所述led元胞(14)位于氧化层(10)的上方。2.如权利要求1所述的一种光增强消除折回现象的逆导型igbt器件，其特征在于：所述p型掺杂集电区(1)和n型掺杂集电区(2)的掺杂浓度为1
×
10
18
～5
×
10
19
cm-3
，厚度为1～20μm。3.如权利要求1所述的一种光增强消除折回现象的逆导型igbt器件，其特征在于：所述n型掺杂漂移区(3)的掺杂浓度为1
×
10
14
～1
×
10
15
cm-3
，所述n型掺杂缓冲层(4)的掺杂浓度为1
×
10
16
～1
×
10
18
cm-3
，n型掺杂漂移区(3)和n型掺杂缓冲层(4)的厚度为0.2～5μm。4.如权利要求1所述的一种光增强消除折回现象的逆导型igbt器件，其特征在于：所述n型掺杂漂移区(5)的掺杂浓度为1
×
10
14
～1
×
10
15
cm-3
，厚度依照所需要实现的阻断电压设定为30～220μm。5.如权利要求1所述的一种光增强消除折回现象的逆导型igbt器件，其特征在于：所述p型掺杂的阱区(6)的掺杂浓度为2
×
10
16
～5
×
10
19
cm-3
，深度为0.2～1.5μm。6.如权利要求1所述的一种光增强消除折回现象的逆导型igbt器件，其特征在于：所述n型掺杂的源区(7)的掺杂浓度为1
×
10
16
～1
×
10
20
cm-3
，深度为0.2～0.8μm。7.如权利要求1所述的一种光增强消除折回现象的逆导型igbt器件，其特征在于：所述p型掺杂的基区(8)的掺杂浓度在1
×
10
16
～1
×
10
20
cm-3
，深度为0.2～1.5μm。8.如权利要求1所述的一种光增强消除折回现象的逆导型igbt器件，其特征在于：所述p型掺杂的沟道区(9)的掺杂浓度为1
×
10
15
cm-3
～5
×
10
17
cm-3
，深度为0.1～1.5μm。9.如权利要求1所述的一种光增强消除折回现象的逆导型igbt器件，其特征在于：所述led元胞(14)的发光波长为30～1800nm。

技术总结
一种光增强消除折回现象的逆导型IGBT器件，由多个元胞并联形成，各元胞包括P型掺杂集电区、N型掺杂集电区、N型掺杂漂移区、N型掺杂缓冲层、N型掺杂漂移区、P型掺杂的阱区、N型掺杂的源区、P型掺杂的基区、P型掺杂的沟道区、氧化层、栅极电极、发射极电极、集电极电极、LED元胞；该器件通过将IGBT的顶部栅极开孔，使用在栅极内部集成LED元胞的方法，使得光线入射到JFET区，并且产生光生载流子，增大器件的导通电流，消除逆导型IGBT器件的折回(Snap-back)现象，并且可以使器件获得更好的续流特性。并且可以使器件获得更好的续流特性。并且可以使器件获得更好的续流特性。


技术研发人员：张峰 陈雨箭 张国良 洪荣墩
受保护的技术使用者：昆山厦大创新中心
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/8/28