具有低导通压降与饱和电流的IGBT功率器件

本发明属于半导体功率器件，涉及一种硅基igbt半导体功率器件，具体为一种具有超低开态压降与饱和电流的新型沟槽集成自钳位二极管igbt功率器件。

背景技术：

1、硅材料作为电子行业主要的半导体材料，具有工艺成熟、高度可靠等优点，广泛应用于晶体管、集成电路等现代电子器件中；即便碳化硅等新型材料在一些方面表现出更优异的性能，但硅材料在当前半导体市场上仍占据主导地位。硅基igbt(insulated gatebipolar transistor，绝缘栅双极晶体管)作为功率器件在功率控制领域发挥关键作用，拥有成熟的制造工艺和相对较低的成本，适用于电力电子、工业驱动器等应用领域；然而，硅基igbt仍然存在一些局限性，如导通状态下导通压降较大、开关速度相对较慢以及功耗较高；此外，其耐压能力相对有限，相比于新型材料，其性能也受到限制，这也推动着新材料和新技术的不断探索，以提升igbt功率器件的性能和效率。

2、近年来，随着工艺技术的进一步发展，有研究者提出将igbt和二极管结合构成具有自钳位二极管的igbt功率器件，在栅极下方进行p型注入，通过两个串联二极管连接至源极；当igbt正向导通时，二极管关断，此时igbt表现出正常的正向特性，p型基区下方的高掺杂n型区域作为n-injector，可以提高其下方的载流子浓度，在同样的正向电流密度下可以实现更小的饱和压降；当igbt处于阻断状态下，二极管导通，通过栅极下方p型注入的区域钳制住n-injector的电位，使雪崩击穿发生在二极管处，这样就允许n-injector具有更高的掺杂浓度，同时不影响igbt的阻断电压；通过igbt的开关来控制二极管的开关，凭借二极管的开关来控制igbt内部载流子和电势的分布，以寻求更低的饱点电压降，降低器件的开关损耗。然而，将二极管集成到器件表面的工艺过于复杂，需要多次刻蚀、生长和扩散，相应需要更多的掩膜版，使其成本高、工艺复杂，大大限制了其应用范围。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对背景技术存在的缺陷，提出了一种具有低导通压降与饱和电流的igbt功率器件，该器件能够通过工艺简单的沟槽集成方式实现自钳位二极管的集成，在实现低导通压降与饱和电流、高击穿电压的情况下，大大简化器件制备工艺，显著降低器件的生产及应用成本。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种具有低导通压降与饱和电流的igbt功率器件，包括：si-n型漂移区3，位于si-n型漂移区3上表面的正面结构与位于si-n漂移区3下表面的背面结构；其特征在于，

4、所述正面结构采用左右对称结构，包括：源极区、两个栅极区、两个自钳位二极管区与金属化阴极16；所述源极区位于两个栅极区之间，所述自钳位二极管区位于栅极区外侧，所述金属化阴极16位于源极区、栅极区与自钳位二极管区上表面；

5、所述自钳位二极管区包括：场氧化层9、二极管隔离氧化层10、欧姆接触金属11、n型多晶硅12、p型多晶硅13、si-p型注入区14、si-p型浮空区15与si-p型钳制电位区16；所述自钳位二极管区采用沟槽结构，二极管隔离氧化层10设置于沟槽的槽壁，p型多晶硅13与n型多晶硅12交替填充于沟槽内，p型多晶硅13与其上的n型多晶硅12构成一个多晶硅二极管，两个多晶硅二极管由欧姆接触金属11串联构成自钳位二极管；si-p型浮空区15位于自钳位二极管区与栅极区之间，场氧化层9位于si-p型浮空区15上表面、并向栅极区延升，si-p型注入区14位于沟槽下方、并与沟槽底部的p型多晶硅13相接触，si-p型钳制电位区16位于栅极区的下方。

6、进一步的，所述背面结构包括：si-n型缓冲区2、si-p型发射区1与金属化阳极18，si-n型缓冲区2位于si-n型漂移区3下表面，si-p型发射区1位于si-n型缓冲区2下表面，金属化阳极18位于si-p型发射区1下表面、且与si-p型发射区形成欧姆接触。

7、进一步的，所述栅极区采用槽栅结构，由n型多晶硅栅极7与栅氧化层8构成，栅氧化层8包裹n型多晶硅栅极7。

8、进一步的，所述源极区包括：si-n型注入区4、si-p型基区5与si-n型阴极接触区6，si-p型基区5位于si-n型注入区4上表面，两个si-n型阴极接触区6位于si-p型基区5内、且居于顶部左右两侧，si-p型基区5、si-n型阴极接触区6均与金属化阴极17形成欧姆接触。

9、进一步的，所述自钳位二极管区中位于沟槽顶部的n型多晶硅12与金属化阴极17形成欧姆接触。

10、基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：

11、本发明提供一种具有低导通压降与饱和电流的igbt功率器件，在具有自钳位二极管的igbt功率器件的基础上，创造性的提出新型沟槽集成结构，能够实现低饱和电流密度和低开态电压降，低的饱和电流密度可以增强器件的短路能力，低的开态电压降可以减小器件的开关损耗；并且，自钳位二极管可以消除高掺杂浓度的n型注入区对器件击穿电压的影响，使器件具备高击穿电压。更为重要的是，本发明提出的新型沟槽集成结构中，用于集成自钳位二极管的沟槽与栅极槽能够一步刻蚀，沟槽与栅极槽下方的p+注入以及槽壁的氧化层生长都能够同步进行，多晶硅栅淀积与多晶硅二极管淀积也仅需要更换掩膜版，即可实现自钳位二极管的沟槽集成；由此可见，本发明提出的新型沟槽集成结构的自钳位二极管igbt功率器件的制备工艺大大简化，缩短了制备时间，降低了制备成本，进而降低了器件的应用成本，有利于实现大规模生产应用。

技术特征：

1.一种具有低导通压降与饱和电流的igbt功率器件，包括：si-n型漂移区(3)，位于si-n型漂移区(3)上表面的正面结构与位于si-n漂移区(3)下表面的背面结构；其特征在于，

2.按权利要求1所述具有低导通压降与饱和电流的igbt功率器件，其特征在于，所述背面结构包括：si-n型缓冲区(2)、si-p型发射区(1)与金属化阳极(18)，si-n型缓冲区(2)位于si-n型漂移区(3)下表面，si-p型发射区(1)位于si-n型缓冲区(2)下表面，金属化阳极(18)位于si-p型发射区(1)下表面、且与si-p型发射区形成欧姆接触。

3.按权利要求1所述具有低导通压降与饱和电流的igbt功率器件，其特征在于，所述栅极区采用槽栅结构，由n型多晶硅栅极(7)与栅氧化层(8)构成，栅氧化层(8)包裹n型多晶硅栅极(7)。

4.按权利要求1所述具有低导通压降与饱和电流的igbt功率器件，其特征在于，所述源极区包括：si-n型注入区(4)、si-p型基区(5)与si-n型阴极接触区(6)，si-p型基区(5)位于si-n型注入区(4)上表面，两个si-n型阴极接触区(6)位于si-p型基区(5)内、且居于顶部左右两侧，si-p型基区(5)、si-n型阴极接触区(6)均与金属化阴极(17)形成欧姆接触。

5.按权利要求1所述具有低导通压降与饱和电流的igbt功率器件，其特征在于，所述自钳位二极管区中位于沟槽顶部的n型多晶硅(12)与金属化阴极(17)形成欧姆接触。

技术总结本发明属于半导体功率器件技术领域，提供一种具有低导通压降与饱和电流的IGBT功率器件，创造性的提出新型沟槽集成结构，能够实现低饱和电流密度和低开态电压降，低的饱和电流密度可以增强器件的短路能力，低的开态电压降可以减小器件的开关损耗；并且，自钳位二极管使器件具备高击穿电压；更为重要的是，本发明提出的新型沟槽集成结构中，用于集成自钳位二极管的沟槽与栅极槽能够一步刻蚀，沟槽与栅极槽下方的P+注入以及槽壁的氧化层生长都能够同步进行，多晶硅栅淀积与多晶硅二极管淀积也仅需要更换掩膜版，大大简化器件的制备工艺，缩短了制备时间，降低了制备成本，进而降低了器件的应用成本，有利于实现大规模生产应用。技术研发人员：陈鑫阳,艾昭宇,孔谋夫,孟繁新,杨洪强受保护的技术使用者：电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20