基于鍺硅集電區的igbt結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于電力電子器件技術領域，具體涉及一種基于鍺硅集電區的IGBT結構。
【背景技術】
[0002]IGBT即絕緣柵雙極型晶體管，是一種MOS場效應晶體管與雙極型晶體管復合而成的由柵極電壓控制的功率半導體器件，國標中將IGBT定義為具有導電溝道和PN結，且流過溝道和結的電流由施加在柵極和集射極之間電壓所產生的電場來控制的晶體管。
[0003]IGBT集MOSFET的柵極電壓驅動輸入和雙極晶體管的低導通電阻輸出于一身，綜合了MOSFET和BJT兩者的共同優點，具有阻斷電壓高、電流容量大、驅動功率小、開關損耗低、工作頻率高以及安全工作區寬的特點，是近乎理想的電力半導體開關器件，具有廣闊的發展和應用前景，是電力電子器件的主要發展方向之一。
[0004]目前，以IGBT為代表的電力半導體器件和相關產品，以其獨特的、不可取代的特殊功能，幾乎應用于國民經濟的各個領域，包括通信、工業、醫療、家電、照明、交通、新能源、半導體生產設備、航空、航天及國防等諸多領域。尤其是在中電壓、中功率的應用比較廣泛，如:電機調速、變頻器及逆變器等電力控制；開關電源、逆變電源、通訊電源及UPS電源等各種電源;汽車的點火器、顯示驅動器、發動機的動力系統控制;微波爐、洗衣機、電冰箱、空調等家用電器；太陽能電池、風能等新能源，以及在航天領域，從5kW的分立器件到500kW的IGBT模塊，在600?6500V電壓范圍內、20kHz以上的中頻領域內可取代了功率MOSFET、功率雙極晶體管及GTO晶閘管。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種基于鍺硅集電區的IGBT結構，該IGBT結構是在常規非穿通型IGBT的基礎上，采用鍺硅材料的P+集電區代替硅材料的P+集電區形成基于鍺硅集電區的IGBT結構;具有集電極電流大及關斷時間短的優點。
[0006]本發明所采用的技術方案是，基于鍺硅集電區的IGBT結構，包括有P+鍺硅集電區，P+鍺硅集電區的下部設置有第一電極，P+鍺硅集電區的上部設置有復合區，復合區的上部靠近邊緣處對稱的設置有兩個S12柵氧層，兩個S12柵氧層之間的復合區上部設置有第三電極，每個S12柵氧層的上部依次設置有多晶硅柵及第二電極;復合區，包括有緊貼P+鍺硅集電區設置的N-漂移區，N-漂移區的上部內嵌有P基區，P基區內靠近頂部處內嵌有兩個N+發射區。
[0007]本發明的特點還在于:
[0008]P+鍺硅集電區為鍺硅材料，P+鍺硅集電區中有摻雜劑，摻雜劑為B離子，摻雜濃度為I X 1019cm—3?I X 1021cm—3;P+鍺娃集電區的高度為Iym?ΙΟμ??，寬度為20μηι?40μηι。
[0009]N-漂移區中有摻雜劑，摻雜劑為P離子，摻雜濃度為I X 113Cnf3?I X 1014cm—3;Ν_漂移區的高度為180μηι?500μηι，寬度為20μηι?40μηι。
[0010]P基區中有摻雜劑，摻雜劑為B離子，摻雜濃度為I X 117Cnf3?I X 1019cm—3;P基區的高度為4μηι?8μηι，寬度為12μηι?32μηι。
[0011]N+發射區中有摻雜劑，摻雜劑為P離子，摻雜濃度為I X 119Cnf3?I X 1021cm—3;Ν+發射區的高度為Iym?3μ??，寬度為2μηι?6μηι。
[0012]S12柵氧層為二氧化硅層;S12柵氧層的高度為0.05μπι?0.5μπι，寬度為8μπι?20μmD
[0013]多晶硅柵中有摻雜劑，摻雜濃度為IX 119Cnf3?I X 121Cnf3，摻雜劑為P離子;多晶娃柵的高度為4μηι?ΙΟμπι，寬度為8μηι?20μηι。
[0014]本發明的有益效果在于:
[0015](I)本發明公開的基于鍺硅集電區的IGBT結構是一種新型IGBT結構，是在常規硅基IGBT結構的集電區中采用鍺硅材料代替硅材料，調節鍺含量及其他參數，形成鍺硅/硅異質結，增加了 P+集電區與N-漂移區之間的空穴勢皇高度，減小了通態時P+集電區向N-漂移區中注入的空穴，減少了 N-漂移區中電子與空穴的復合，增大了電子電流，提高了 IGBT整體的集電極電流。
[0016](2)本發明基于鍺硅集電區的IGBT結構，由于器件的集電區中采用鍺硅材料，減少了通態時P+集電區向N-漂移區中注入的空穴，減少了N-漂移區中電子與空穴的復合，增加了 IGBT中的電子，而減少了空穴，因此在IGBT關斷時，需要復合的空穴少，減少了拖尾電流的影響，更加易于關斷，能有效縮短關斷時間。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明基于鍺硅集電區的IGBT結構的縱向剖面圖；
[0018]圖2是常規硅IGBT結構的縱向剖面圖；
[0019]圖3是本發明基于鍺硅集電區的IGBT結構中P+鍺硅集電區與N-漂移區之間的鍺娃/娃異質結能帶示意圖；
[0020]圖4是常規硅IGBT結構與本發明基于鍺硅集電區的IGBT結構的通態電流對比曲線圖；
[0021]圖5是常規硅IGBT結構與本發明基于鍺硅集電區的IGBT結構的關斷特性對比曲線圖；
[0022]圖中，I.第一電極，2.P+鍺硅集電區，3.N-漂移區，4.P基區，5.N+發射區，6.S12柵氧層，7.多晶硅柵，8.第二電極，9.第三電極，10.P+硅集電區。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0024]本發明基于鍺硅集電區的IGBT結構，其結構如圖1所示，包括有P+鍺硅集電區2，P+鍺硅集電區2的下部設置有第一電極I，Ρ+鍺硅集電區2的上部設置有復合區，復合區的上部靠近邊緣處對稱的設置有兩個S12柵氧層6，兩個S12柵氧層6之間的復合區上部設置有第三電極9，每個S12柵氧層6的上部依次設置有多晶硅柵7及第二電極8;復合區，包括有緊貼P+鍺硅集電區2設置的N-漂移區3，Ν-漂移區3的上部內嵌有P基區4，Ρ基區4內靠近頂部處內嵌有兩個N+發射區5。
[0025]本發明基于鍺硅集電區的IGBT結構主要由硅材料和鍺硅材料構成:
[0026]其中，P+鍺硅集電區2為鍺硅材料，其摻雜濃度為I X 119Cnf3?I X 1021cm—3，摻雜劑為B離子，P+鍺娃集電區2的高度為Ιμπι?ΙΟμπι，寬度為20μηι?40μηι。
[0027]N-漂移區3的摻雜濃度為I X 1013cm—3?I X 1014cm—3，摻雜劑為P離子，N-漂移區3的高度為180μηι?500μηι，寬度為20μηι?40μηι。
[0028]P基區4的摻雜濃度為I X 117Cnf3?I X 1019cm—3，摻雜劑為B離子，P基區4的高度為4μπι ?8ym，寬度為 12ym ?32ym。
[0029]N+發射區5的摻雜濃度為I X 1019cm—3?I X 1021cm—3，摻雜劑為P離子，N+發射區5的高度為Ium?3μηι，寬度為2μηι?6μηι。
[0030]S12柵氧層6為二氧化硅材料制成;S12柵氧層6的高度為0.05μπι?0.5μπι，寬度為8Um ?20μπιο
[0031]多晶硅柵7的摻雜濃度為IX 119Cnf3?I X 1021cm—3，摻雜劑為P離子，多晶硅柵7的高度為4μηι?ΙΟμπι，寬度為8μηι?20μηι。
[0032]常規硅IGBT結構全部是硅材料構成，其結構如圖2所示，其中有P+集電區1，P+集電區10下部設置有第一電極I，Ρ+集電區10上部為N-漂移區3，Ν-漂移區3的上部內嵌有P基區4，Ρ基區4內靠近頂部處內嵌有兩個N+發射區5，Ρ基區4和N-漂移區3的上部設置有兩個S12柵氧層6和一個第二電極9，第二電極9位于兩個S12柵氧層6的中部每個，S12柵氧層6上部設置有多晶硅柵7，多晶硅柵7上部設置有第三電極8。
[0033]本發明基于鍺硅集電區的IGBT結構與常規硅IGBT結構相比，其區別在于:
[0034]本發明基于鍺硅集電區的IGBT結構的集電區中采用鍺硅材料代替硅材料，在P+鍺硅集電區2與N-漂移區3之間形成鍺硅/硅異質結，與常規IGBT結構相比，本發明基于鍺硅集電區的IGBT結構能夠有效增大集電極電流，減小關斷時間。
[0035]本發明基于鍺硅集電區的IGBT結構的工作原理具體如下:
[0036]本發明基于鍺硅集電區的IGBT結構是通過第一電極1、第二電極8和第三電極9來控制器件的開通與關斷，將P+鍺硅集電區2與N-漂移區3之間的PN結記為上結，將N-漂移區3與P基區4之間的PN結記為J2結，其具體工作過程如下:
[0037]當第一電極I和第三電極9上加正電壓，第二電極8上接負電壓，并且第三電極9上的電壓大于IGBT的閾值電壓時，P基區4表面形成反型溝道，在第一電極I和第二電極8之間形成了電流通路;于是N+發射區5的電子經溝道進入N-漂移區3，使此處的電位降低，J1結更加正偏，于是P+鍺硅集電區2向N-漂移區3中注入空穴，注入到N-漂移區3的部分空穴與由N+發射區5經過電子經溝道進入N-漂移區3的部分電子不斷復合;復合后剩余