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CN111834450B - 一种集成齐纳二极管的soi ligbt器件 - Google Patents

一种集成齐纳二极管的soi ligbt器件 Download PDF

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CN111834450B CN202010901059.3A CN202010901059A CN111834450B CN 111834450 B CN111834450 B CN 111834450B CN 202010901059 A CN202010901059 A CN 202010901059A CN 111834450 B CN111834450 B CN 111834450B
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郗路凡
罗小蓉
张波
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    • H10D62/106—Constructional design considerations for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse-biased devices by having particular doping profiles, shapes or arrangements of PN junctions; by having supplementary regions, e.g. junction termination extension [JTE]  having supplementary regions doped oppositely to or in rectifying contact with regions of the semiconductor bodies, e.g. guard rings with PN or Schottky junctions
    • H10D62/107—Buried supplementary regions, e.g. buried guard rings 

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Abstract

本发明属于功率半导体技术领域，具体涉及一种集成齐纳二极管的SOI LIGBT器件。本发明相对于传统的LIGBT，新器件在发射极端的P阱区中引入一个齐纳二极管，其P型区域和器件发射极电气相连，其N型区域与P阱区通过浮空欧姆金属实现电气相连。当集电极电压不断增加，齐纳二极管会发生反向击穿导通，从而使得P阱区的电势被箝位；这不仅有利降低器件栅电容，导通时可以降低饱和电流以提高器件短路能力，关断时过程中可提供空穴抽取通路以降低关断时间和关断损耗。相对于传统LIGBT结构，本发明提供的LIGBT新结构获得更优的导通压降与关断损耗之间的折中关系，并提升器件抗短路能力。

Description

一种集成齐纳二极管的SOI LIGBT器件
技术领域
本发明属于功率半导体技术领域，具体涉及一种内部集成齐纳二极管的槽栅SOILIGBT。
背景技术
SOI基的横向绝缘栅双极型晶体管(Lateral Insulated Gate BipolarTransistor,LIGBT)是双极型器件的典型代表。由于其高输入阻抗、低导通压降、高耐压特性、介质隔离等特点，广泛应用于各种电力电子系统，成为中高压开关应用领域的关键半导体器件。
LIGBT器件在正向导通时，漂移区内发生电导调制效应而具有较小的导通压降，但同时关断时需要将漂移区中存储的大量载流子抽出，导致器件具有较大关断损耗。而降低器件导通压降的措施常常使器件有大的饱和电流，从而导致较差的短路安全工作区(Shortcircuit safe operating area,SCSOA)。因此，LIGBT的导通压降、关断损耗以及安全工作区之间存在折中关系。另外，发射极端浮空P阱区结构可以增强LIGBT载流子存储效应，但在开启过程中，浮空P区中积累的空穴引起的位移电流对栅电容充电，严重影响器件的开启特性。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种集成齐纳二极管的SOI LIGBT器件，在发射极端浮空P阱中引入齐纳二极管实现箝位作用，从而改善器件的性能。
本发明的技术方案是：一种集成齐纳二极管的SOI LIGBT器件，包括自下而上依次层叠设置的P衬底层1、介质埋层2和N型漂移区3；所述N型漂移区3上层两端分别具有发射极结构和集电极结构；
所述发射极结构包括P型阱区4、P型重掺杂区5及N型重掺杂区6，所述P型重掺杂区5和所述N型重掺杂区6交替排列于所述P型阱区4的上层，且外侧靠近集电极结构的是N型重掺杂区6，P型重掺杂区5的结深大于N型重掺杂区6的结深；所述P型重掺杂区5和N型重掺杂区6上表面的共同引出端为发射极；
所述集电极结构包括N型缓冲区13和P型集电区14；所述P型集电区14位于N型缓冲区13上层中部；所述P型集电区14上表面的引出端为集电极；
其特征在于，在P型阱区4上层，还具有槽栅结构和齐纳二极管；
所述槽栅结构包括控制槽栅结构和阻挡槽栅结构；所述控制槽栅结构由第一槽栅介质层71和位于第一槽栅介质层71中的第一多晶硅72组成，所述控制槽栅结构沿器件垂直方向依次贯穿N型重掺杂区6和P型阱区4后延伸至所述N型漂移区3中；所述阻挡槽栅结构由第二槽栅介质层81和位于第二槽栅介质层81中的第二多晶硅82组成，所述阻挡槽栅结构沿器件垂直方向贯穿所述P型阱区4延伸至所述N型漂移区3中，所述阻挡槽栅结构的一侧与最外侧的N型重掺杂区6接触，且控制槽栅结构和阻挡槽栅结构之间间隔有P型重掺杂区5；所述控制槽栅多晶硅72和所述阻挡槽栅多晶硅82的共同引出端为栅电极；阻挡槽栅结构的另一侧与齐纳二极管接触；
所述齐纳二极管结构包括P型区域9和N型区域10，所述P型区域9位于N型区域10上层一侧，且P型区域9与阻挡槽栅结构接触；所述P型阱区4与所述N型区域10通过导电材料11电气连接，所述P型区域9的引出端与发射极相连；在齐纳二极管与集电极结构之间的N型漂移区3上表面，还具有场氧层12，且场氧层12还沿P型阱区4和N型缓冲区13的上表面向两侧延伸。
进一步的所述的N型漂移区3上层还具有P型埋层15，所述P型埋层15与所述P型阱区4接触。
进一步的，所述器件采用的半导体材料为Si、SiC、SiGe、GaAs或GaN中的一种。
本发明的有益效果为，相对于传统LIGBT结构，本发明导通时改善了导通压降与关断损耗间的折中关系。齐纳二极管的引入降低了器件的密勒电容，提高了器件的开关速度。另外，还降低了饱和电流，提高了短路能力，扩大了安全工作区。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图；
图2为实施例2的结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：
实施例1
如图1所示，本例的具有集成齐纳二极管的槽栅SOI LIGBT与传统器件结构相比，在P阱区4中靠近N型漂移区3一侧集成有齐纳二极管。
本例的工作原理为：
在正向导通时，发射极端阻挡槽栅和控制槽栅起到物理阻挡作用，有利于提高漂移区载流子浓度，同时控制槽栅两侧及阻挡槽栅靠近发射极一侧均有沟道存在，可增大器件沟道密度以降低沟道区电阻，综合作用下器件Von可显著降低。随着阳极电压上升，齐纳二极管发生击穿，使得P阱区4处的电势被箝位，从而降低了密勒电容；同时齐纳二极管的击穿电流迅速增大，提供了空穴通路，使器件的饱和电流降低，从而提高器件的安全工作区。
器件关断过程中，随着阳极电压上升，齐纳二极管反向击穿导通，可以帮助抽取空穴以加快器件关断，从而降低关断损耗。
正向阻断状态下，齐纳二极管发生击穿使P阱区4的电势被箝位，可以保护槽栅电场，避免拐角处提前击穿，提高器件耐压。
实施例2
如图2所示，本例与实施例1中图1的区别在于，本例中N型漂移区3上表面引入一个P型埋层15，与P型阱区4侧面接触。本实施例中器件工作机理和实施例1区别在于：引入的P型埋层15与N型漂移区3之间相互耗尽，形成类似超结(Super junction，SJ)结构。在正向阻断状态时，本例中引入的P型埋层15可与耗尽N型漂移区3相互耗尽，从而优化器件的耐压。同时，器件关断时，P型埋层15和N型漂移区3相互抽取空穴和电子，可加速器件的耗尽，从而进一步降低关断时间，减小关断损耗。

Claims (2)

1.一种集成齐纳二极管的SOI LIGBT器件，包括自下而上依次层叠设置的P衬底层(1)、介质埋层(2)和N型漂移区(3)；所述N型漂移区(3)上层两端分别具有发射极结构和集电极结构；
所述发射极结构包括P型阱区(4)、P型重掺杂区(5)及N型重掺杂区(6)，所述P型重掺杂区(5)和所述N型重掺杂区(6)交替排列于所述P型阱区(4)的上层，且P型阱区(4)最外侧靠近集电极结构的是N型重掺杂区(6)，P型重掺杂区(5)的结深大于N型重掺杂区(6)的结深；所述P型重掺杂区(5)和N型重掺杂区(6)上表面的共同引出端为发射极；
所述集电极结构包括N型缓冲区(13)和P型集电区(14)；所述P型集电区(14)位于N型缓冲区(13)上层中部；所述P型集电区(14)上表面的引出端为集电极；
其特征在于，在P型阱区(4)上层，还具有槽栅结构和齐纳二极管；
所述槽栅结构包括控制槽栅结构和阻挡槽栅结构；所述控制槽栅结构由第一槽栅介质层(71)和位于第一槽栅介质层(71)中的第一多晶硅(72)组成，所述控制槽栅结构沿器件垂直方向依次贯穿N型重掺杂区(6)和P型阱区(4)后延伸至所述N型漂移区(3)中；所述阻挡槽栅结构由第二槽栅介质层(81)和位于第二槽栅介质层(81)中的第二多晶硅(82)组成，所述阻挡槽栅结构沿器件垂直方向贯穿所述P型阱区(4)延伸至所述N型漂移区(3)中，所述阻挡槽栅结构的一侧与最外侧的N型重掺杂区(6)接触，且控制槽栅结构和阻挡槽栅结构之间间隔有P型重掺杂区(5)；所述控制槽栅多晶硅(72)和所述阻挡槽栅多晶硅(82)的共同引出端为栅电极；阻挡槽栅结构的另一侧与齐纳二极管接触；
所述齐纳二极管包括P型区域(9)和N型区域(10)，所述P型区域(9)位于N型区域(10)上层一侧，且P型区域(9)与阻挡槽栅结构接触；所述P型阱区(4)与所述N型区域(10)通过导电材料(11)电气连接，所述P型区域(9)的引出端与发射极相连；在齐纳二极管与集电极结构之间的N型漂移区(3)上表面，还具有场氧层(12)，且场氧层(12)还沿P型阱区(4)和N型缓冲区(13)的上表面向两侧延伸。
2.根据权利要求1所述的一种集成齐纳二极管的SOI LIGBT器件，其特征在于，所述的N型漂移区(3)上层还具有P型埋层(15)，所述P型埋层(15)与所述P型阱区(4)接触。
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