一种高性能IGBT结构

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种高性能IGBT结构。

背景技术

IGBT是一种被广泛应用于新能源汽车、光伏、储能、轨道交通等领域的高压大功率器件，它很好的结合了MOSFET高频率与BJT低导通压降的优点，在功率器件领域占据主要市场。

目前，IGBT的优化方向主要包括降低导通压降、开关损耗及EMI噪声等。降低导通压降常从以下几点出发：

增加饱和电流密度，可以通过使用沟槽栅并不断缩小元胞尺寸以此增加沟道面积来实现；

增加电子注入效率来增加Emitter电极一侧的载流子浓度，使漂移区压降显著降低；

采用注入增强法增加Emitter电极一侧的载流子浓度，降低漂移区导通电阻。

其中，沟槽栅一方面消除了平面栅带来的JFET电阻，另一方面节省空间大大提高了沟道密度使导通压降显著提高。但是沟槽栅工艺难度大，同时不断提升的沟道密度在降低沟道电阻的同时也会提高短路电流，使短路能力大打折扣。

通过增加P+注入浓度的方式增加电子注入效率，器件导通时在集电极附近存在大量空穴，可以显著降低漂移区电阻，从而降低导通压降。但这些过量的空穴在器件关断过程中必须被外电路抽取和器件内部复合掉，导致器件关断速度过慢，并引起过高的关断损耗。

注入增强法可以通过增加浮空P-base区来实现，这样能有效降低Emitter极对空穴的收集效率，即提高Emitter极空穴的浓度，所以N-drift区的压降减小，导通压降也随之降低。此外，浮空P-base区的引入减小了MOS沟道密度，所以注入增强法不仅具有更低的导通压降，而且拥有较低的饱和电流密度，具有较好的短路能力。但是空穴在浮空p-base区的堆积使得其电位抬升，所以在浮空p-base区与栅极之间会形成较大的位移电流，电流方向由浮空p-base区指向栅极。该位移电流也可以给栅电容充电，当其大于栅极驱动提供的栅电流后，续流二极管的dV/dt和IGBT的dI/dt几乎不受栅电阻控制，这导致EMI噪声与开关损耗之间的折中关系变得非常差。

因此，需要设计一种能同时兼顾正向导通压降、开关损耗及EMI噪声等重要性能参数的IGBT结构。

发明内容

针对上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种高性能IGBT结构，以解决现有技术中的一个或多个问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种高性能IGBT结构，包括从下至上依次层叠设置的集电极金属电极、P型集电区、N型缓冲区、N型漂移区，所述N型漂移区正面包括至少一组MOS区和位于MOS区两侧的空穴路径区；

所述MOS区包括两个沟槽栅、设置在所述沟槽栅之间的第一P型基区，所述第一P型基区上方紧邻沟槽栅设置N+型发射区；

所述空穴路径区包括设置在沟槽栅侧面的第二P型基区、设置在第二P型基区侧面的P型浮空区，所述第二P型基区上方紧邻沟槽栅设置N+型发射区；

其中，所述第一P型基区、第二P型基区、N+型发射区通过欧姆接触连接发射极金属电极。

进一步的，所述空穴路径区还设置至少一个dummy栅极，所述dummy栅极与发射极金属电极相连，所述dummy栅极外侧覆盖第二介质层。

进一步的，所述dummy栅极设置在P型浮空区与第二P型基区之间。

进一步的，所述P型浮空区、第二P型基区、第一P型基区深度小于沟槽栅和dummy栅极的深度。

进一步的，所述沟槽栅外侧覆盖第一介质层。

进一步的，所述P型浮空区与发射极金属电极之间设置第三介质层。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：

(一)本发明的IGBT结构，在MOS区两侧设置空穴路径区，所述空穴路径区包括设置在沟槽栅侧面的第二P型基区、设置在第二P型基区侧面的P型浮空区，所述第二P型基区上方紧邻沟槽栅设置N+型发射区，所述第一P型基区、第二P型基区、N+型发射区通过欧姆接触连接发射极金属电极。通过在空穴路径区设置P型浮空区，有效降低发射极金属电极对空穴的收集效率，提高发射极金属电极空穴的浓度，减小N型漂移区的压降，导通压降也随之降低，同时保证MOS区短路能力。

(二)进一步的，在空穴路径区还设置一个dummy栅极，dummy栅极与发射极金属电极相连，dummy栅极外侧覆盖第二介质层。通过增加与发射极金属电极短路的dummyTrench，第一P型基区、第二P型基区通过欧姆接触连接发射极金属电极，形成多路空穴路径，减小P型基区的空穴堆积，增强栅极控制，降低EMI噪声。

(三)进一步的，所述dummy栅极设置在P型浮空区与第二P型基区之间，使P型浮空区与沟槽栅隔开，减小器件miller电容。同时P型浮空区、第二P型基区、第一P型基区深度小于沟槽栅和dummy栅极的深度，确保空穴路径不指向栅极，减小器件miller电容，改善器件的EMI噪声与开关损耗之间的折中关系。

附图说明

图1示出了本发明实施例一提供的一种高性能IGBT结构的结构示意图。

附图中标记：

1、集电极金属电极；2、P型集电区；3、N型缓冲区；4、N型漂移区；51、第一P型基区；52、第二P型基区；6、P型浮空区；61、第三介质层；7、N+型发射区；8、dummy栅极；81、第二介质层；9、发射极金属电极；10、沟槽栅；101、第一介质层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

在本发明的描述中，限定术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例一

请参考图1，一种高性能IGBT结构，包括从下至上依次层叠设置的集电极金属电极1、P型集电区2、N型缓冲区3、N型漂移区4，所述N型漂移区4正面包括一组MOS区和位于MOS区两侧的空穴路径区；

所述MOS区包括两个沟槽栅10、设置在所述沟槽栅10之间的第一P型基区51，所述第一P型基区51上方紧邻沟槽栅10设置N+型发射区7；

所述空穴路径区包括设置在沟槽栅10侧面的第二P型基区52、设置在第二P型基区52侧面的P型浮空区6，所述第二P型基区52上方紧邻沟槽栅10设置N+型发射区7；

其中，所述第一P型基区51、第二P型基区52、N+型发射区7通过欧姆接触连接发射极金属电极9。

具体的，通过在空穴路径区设置P型浮空区6，有效降低发射极金属电极9对空穴的收集效率，提高发射极金属电极9空穴的浓度，减小N型漂移区4的压降，导通压降也随之降低，同时保证MOS区短路能力。

请参考图1，进一步的，所述空穴路径区还设置一个dummy栅极8，所述dummy栅极8与发射极金属电极9相连，所述dummy栅极8外侧覆盖第二介质层81。通过增加与发射极金属电极9短路的dummy Trench，第一P型基区51、第二P型基区52通过欧姆接触连接发射极金属电极9，形成空穴路径，减小P型基区的空穴堆积，可以改善因P型基区空穴堆积造成的电位抬升，增强栅极控制，降低EMI噪声。示例性的，所述第二介质层81为氧化层，例如采用二氧化硅。

请参考图1，进一步的，所述沟槽栅10外侧覆盖第一介质层101。示例性的，所述第一介质层101为氧化层，例如采用二氧化硅。

请参考图1，进一步的，所述P型浮空区6与发射极金属电极9之间设置第三介质层61。示例性的，所述第三介质层61为氧化层，例如采用二氧化硅。

实施例二

基于实施例一，实施例二对实施例一的空穴路径区结构作了进一步的优化和细化。

请参考图1，进一步的，所述dummy栅极8设置在P型浮空区6与第二P型基区52之间，使P型浮空区6与沟槽栅10隔开，减小器件miller电容。

请参考图1，进一步的，所述P型浮空区6、第二P型基区52、第一P型基区51深度小于沟槽栅10和dummy栅极8的深度，确保空穴路径如图1箭头所示。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。