本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有表面雙柵控制的橫向rc-igbt(逆導(dǎo)型絕緣柵雙極型晶體管)器件。

背景技術(shù)：

功率半導(dǎo)體器件以其耐壓高、對(duì)大電流的控制能力強(qiáng)等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航天、能源、工業(yè)等領(lǐng)域。igbt(絕緣柵雙極型晶體管)作為功率半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域的熱門器件，既擁有mosfet高輸入阻抗、低功耗的特點(diǎn)，又擁有bjt強(qiáng)大的電流控制能力，其耐壓值從幾百伏到幾千伏不等。igbt雖然擁有強(qiáng)大的功率管理能力，但其卻只具備單向?qū)芰?，這一點(diǎn)極大地限制了它的應(yīng)用。為了解決igbt只具備單向?qū)芰Φ娜毕荩畛跏峭ㄟ^外接一個(gè)反向并聯(lián)的二極管，形成igbt二極管對(duì)并封裝在一起，使反向的無功電流得以通過，反向并聯(lián)的二極管被稱為續(xù)流二極管(fwd)；然而隨后人們卻發(fā)現(xiàn)該方法存在igbt與續(xù)流二極管的性能不匹配、成本上升等問題。為了解決上述問題，人們開始將igbt和二極管集成在一塊芯片上，形成一個(gè)新的器件并稱之為rc-igbt(逆導(dǎo)型絕緣柵雙極型晶體管)。傳統(tǒng)的rc-igbt通過在背面引入n⁺collector(n⁺集電區(qū))，然后與igbt共用一個(gè)p^—body區(qū)(p^-體區(qū))來形成續(xù)流二極管，其結(jié)構(gòu)如圖1所示；與外接反向二極管相比，rc-igbt確實(shí)有了性能上的提升，也降低了成本，但是也伴隨著一些問題，如電壓折回(voltagesnapback)現(xiàn)象等。電壓折回現(xiàn)象的產(chǎn)生原因便是由于n+collector的引入，使得從集電極到發(fā)射極存在經(jīng)由mos管的直接通路，其等效電路如圖2所示，進(jìn)而導(dǎo)致在電壓較小時(shí)，mos管先開啟，此時(shí)電流較??；當(dāng)電壓增大到一定程度時(shí)，雙極型晶體管才會(huì)打開，大量的少子注入到n-漂移區(qū)(n^--drift)，使得導(dǎo)通電阻急劇減小，電流迅速增大出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)(器件的電壓-電流曲線出現(xiàn)負(fù)的斜率)，即所謂的電壓折回現(xiàn)象。另外，傳統(tǒng)的rc-igbt是縱向器件，背面工藝的引入也使得工藝的實(shí)施難度上升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了消除傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的電壓折回現(xiàn)象，減小工藝實(shí)施難度，增強(qiáng)橫向器件的耐壓能力，而提出一種具有表面雙柵控制的橫向rc-igbt器件。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種具有表面雙柵控制的橫向rc-igbt器件，由多個(gè)相同的元胞結(jié)構(gòu)連接形成，所述元胞結(jié)構(gòu)由兩個(gè)相互對(duì)稱的對(duì)稱結(jié)構(gòu)組成，如圖4所示，其中一個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)包括發(fā)射極結(jié)構(gòu)、第一mos區(qū)結(jié)構(gòu)、n-外延層1、集電極結(jié)構(gòu)以及p型襯底8；所述發(fā)射極結(jié)構(gòu)包括第一金屬電極6、位于第一金屬電極6下方的p+發(fā)射區(qū)7和n+發(fā)射區(qū)5，第一金屬電極6與p+發(fā)射區(qū)7和n+發(fā)射區(qū)5分別形成歐姆接觸；所述第一mos區(qū)結(jié)構(gòu)包括第一柵極4、第一介質(zhì)隔離層3和第一p-體區(qū)2，其中，第一介質(zhì)隔離層3位于第一柵極4的下方并與之接觸，位于第一介質(zhì)隔離層3的下方并與其接觸的區(qū)域，從左到右依次是：n+發(fā)射區(qū)5、第一p-體區(qū)2、n-外延層1；所述集電極結(jié)構(gòu)包括第二金屬電極10、位于第二金屬電極10下方的p+集電區(qū)9和n+集電區(qū)11，第二金屬電極10與p+集電區(qū)9和n+集電區(qū)11分別形成歐姆接觸；其特征在于，所述其中一個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)還包括第二mos區(qū)結(jié)構(gòu)；所述第二mos區(qū)結(jié)構(gòu)包括第二柵極12、第二介質(zhì)隔離層13、第二p-體區(qū)14，其中，第二介質(zhì)隔離層13位于第二柵極12的下方并與之接觸，位于第二介質(zhì)隔離層13的下方并與其接觸的區(qū)域，從左到右依次是：n-外延層1、第二p-體區(qū)14、n+集電區(qū)11。

進(jìn)一步地，所述n+發(fā)射區(qū)5與第一p-體區(qū)2均在n-外延層1中，p+發(fā)射區(qū)7一部分位于n-外延層1中，一部分伸入p型襯底8中；n+集電區(qū)11、第二p-體區(qū)14及p+集電區(qū)9均在n-外延層1中。

進(jìn)一步地，所述p+集電區(qū)9與n+集電區(qū)11和第二p-體區(qū)14接觸，n+集電區(qū)11被p+集電區(qū)9和第二p-體區(qū)14所圍繞，與n-外延層1之間無直接接觸。

進(jìn)一步地，所述p+發(fā)射區(qū)7、n-外延層1、p+集電區(qū)9和p型襯底8，相互之間形成等效的resurf結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

進(jìn)一步地，所述第一介質(zhì)隔離層3和第二介質(zhì)隔離層13的材料可以為sio2、si3n4或al2o3等。所述橫向rc-igbt器件所用半導(dǎo)體材料可以用si、sic、gaas、sic、gan或sige來制作。

本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明提供的具有表面雙柵控制的橫向rc-igbt器件中，將n+集電區(qū)11與n-外延層1之間通過p+集電區(qū)9和第二p-體區(qū)14隔離，使它們之間無直接接觸；再引入由第二柵極12控制的mos管來控制n+集電區(qū)11與n-外延層1之間的聯(lián)通。當(dāng)器件處于正向工作狀態(tài)時(shí)，打開由第二柵極12控制的mos管，n+集電區(qū)11與n-外延層1連通；而當(dāng)器件處于反向工作狀態(tài)時(shí)，關(guān)閉由第二柵極12控制的mos管，n+集電區(qū)11與n-外延層1隔離；從而達(dá)到消除傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中n+集電區(qū)11的引入帶來的電壓折回現(xiàn)象。

2、本發(fā)明提供的具有表面雙柵控制的橫向rc-igbt器件中，p+發(fā)射區(qū)7、n-外延層1、p+集電區(qū)9和p型襯底8，相互之間形成等效的resurf結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到增強(qiáng)器件橫向耐壓的目的。

3、本發(fā)明提供的具有表面雙柵控制的橫向rc-igbt器件為橫向器件，與傳統(tǒng)工藝更兼容，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)的rc-igbt器件的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，emmiter為金屬發(fā)射極，gate為柵極，collector為集電極，p^--body為p^-體區(qū)，n^--drift為n^-漂移區(qū)，n⁺-fs為n⁺場阻擋層，p⁺collector為p⁺集電區(qū)，n⁺collector為n⁺集電區(qū)。

圖2為傳統(tǒng)的rc-igbt器件的等效電路圖；

圖3為本發(fā)明提供的具有表面雙柵控制的橫向rc-igbt器件的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1為n-外延層(n^--epi)，2為第一p-體區(qū)，3為第一介質(zhì)隔離層，4為第一柵極，5為n+發(fā)射區(qū)，6為第一金屬電極，7為p+發(fā)射區(qū)，8為p型襯底(p-sub)，9為p+集電區(qū)，10為第二金屬電極，11為n+集電區(qū)，12為第二柵極，13為第二介質(zhì)隔離層，14為第二p-體區(qū)；

圖4為本發(fā)明提供的具有表面雙柵控制的橫向rc-igbt器件的元胞結(jié)構(gòu)示意圖，該元胞結(jié)構(gòu)由兩個(gè)相互對(duì)稱的對(duì)稱結(jié)構(gòu)組成；

圖5為本發(fā)明提供的具有表面雙柵控制的橫向rc-igbt器件中，p+發(fā)射區(qū)7、n-外延層1、p+集電區(qū)9和p型襯底8，相互之間形成的等效的resurf結(jié)構(gòu)；

圖6為本發(fā)明提供的具有表面雙柵控制的橫向rc-igbt器件的等效電路圖；

圖7為在器件工作時(shí)，圖6中各個(gè)電極的電壓隨時(shí)間的變化示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案：

如圖4所示，為本發(fā)明提供的一種具有表面雙柵控制的橫向rc-igbt器件的元胞結(jié)構(gòu)，該元胞結(jié)構(gòu)由兩個(gè)相互對(duì)稱的對(duì)稱結(jié)構(gòu)組成，其中一個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)包括發(fā)射極結(jié)構(gòu)、第一mos區(qū)結(jié)構(gòu)、n-外延層1、集電極結(jié)構(gòu)以及p型襯底8；所述發(fā)射極結(jié)構(gòu)包括第一金屬電極6、位于第一金屬電極6下方的p+發(fā)射區(qū)7和n+發(fā)射區(qū)5，第一金屬電極6與p+發(fā)射區(qū)7和n+發(fā)射區(qū)5分別形成歐姆接觸；所述第一mos區(qū)結(jié)構(gòu)包括第一柵極4、第一介質(zhì)隔離層3和第一p-體區(qū)2，其中，第一介質(zhì)隔離層3位于第一柵極4的下方并與之接觸，位于第一介質(zhì)隔離層3的下方并與其接觸的區(qū)域，從左到右依次是：n+發(fā)射區(qū)5、第一p-體區(qū)2、n-外延層1；所述集電極結(jié)構(gòu)包括第二金屬電極10、位于第二金屬電極10下方的p+集電區(qū)9和n+集電區(qū)11，第二金屬電極10與p+集電區(qū)9和n+集電區(qū)11分別形成歐姆接觸；其特征在于，所述其中一個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)還包括第二mos區(qū)結(jié)構(gòu)；所述第二mos區(qū)結(jié)構(gòu)包括第二柵極12、第二介質(zhì)隔離層13、第二p-體區(qū)14，其中，第二介質(zhì)隔離層13位于第二柵極12的下方并與之接觸，位于第二介質(zhì)隔離層13的下方并與其接觸的區(qū)域，從左到右依次是：n-外延層1、第二p-體區(qū)14、n+集電區(qū)11。所述n+發(fā)射區(qū)5與第一p-體區(qū)2均在n-外延層1中，p+發(fā)射區(qū)7一部分位于n-外延層1中，一部分伸入p型襯底8中；n+集電區(qū)11、第二p-體區(qū)14及p+集電區(qū)9均在n-外延層1中。所述p+集電區(qū)9與n+集電區(qū)11和第二p-體區(qū)14接觸，n+集電區(qū)11被p+集電區(qū)9和第二p-體區(qū)14所圍繞，與n-外延層1之間無直接接觸。所述n-外延層1上方是第一金屬電極6、第一介質(zhì)隔離層3、第二金屬電極10及第二介質(zhì)隔離層13，下方是p型襯底8。所述p+發(fā)射區(qū)7、n-外延層1、p+集電區(qū)9和p型襯底8，相互之間形成等效的resurf結(jié)構(gòu)，如圖5所示。半導(dǎo)體材料為si，柵極材料為多晶硅，第一介質(zhì)隔離層3和第二介質(zhì)隔離層13的材料為sio2。

本發(fā)明的工作原理為：

相比于傳統(tǒng)的器件結(jié)構(gòu)，本發(fā)明等效于在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的續(xù)流二極管上串聯(lián)了一個(gè)mos管，通過第二柵極來控制這個(gè)mos管的開啟與關(guān)閉，來實(shí)現(xiàn)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的器件功能，并消除傳統(tǒng)器件的電壓折回現(xiàn)象。如圖6所示，為本發(fā)明提供的具有表面雙柵控制的橫向rc-igbt器件的等效電路圖，當(dāng)rc-igbt器件處于正向工作狀態(tài)時(shí)(圖7中vce＞0)，g2控制的mos管始終關(guān)閉(圖7中vg2＜0)，g1控制的mos管可打開(如圖7所示的vg1＞0)也可關(guān)閉(如圖7所示的vg1＜0)，g1控制的mos管打開時(shí)整個(gè)器件打開，g1控制的mos管關(guān)閉時(shí)整個(gè)器件關(guān)閉。g2控制的mos管關(guān)閉時(shí)，在第二p-體區(qū)14靠近第二介質(zhì)隔離層13的表面形成空穴的積累，從n-外延層1到n+集電區(qū)11的導(dǎo)電溝道關(guān)閉，n+集電區(qū)11被第二p-體區(qū)14和p+集電區(qū)9所包圍并屏蔽，不存在從集電極到發(fā)射極經(jīng)由第一柵極4所控制的mos管的直接通路(如圖2所示，mos管與c極和e極是直接相通的)，n+集電區(qū)11被第二柵極12所控制的mos管隔離，并無傳統(tǒng)rc-igbt結(jié)構(gòu)中n+集電區(qū)11的引入而造成的電壓折回現(xiàn)象。當(dāng)器件處于反向工作狀態(tài)時(shí)(圖7中vce＜0)，g2控制的mos管始終打開(圖7中vg2＜0)，g1控制的mos管可打開(如圖7所示的vg1＞0)也可關(guān)閉(如圖7所示的vg1＜0)，g1控制的mos管打開時(shí)，由于g1控制的mos管和二極管并聯(lián)在一起，可以輔助二極管續(xù)流(通過反向電流)；g1控制的mos管關(guān)閉時(shí)，只有二極管單獨(dú)續(xù)流。

本發(fā)明橫向rc-igbt器件建立在外延層上，器件的實(shí)現(xiàn)無需背面工藝，大大降低了工藝難度。此外，p+發(fā)射區(qū)7、n-外延層1、p+集電區(qū)以及p型襯底8，相互之間形成等效為如圖5所示的resurf結(jié)構(gòu)，使得電場峰值從表面橫向電場轉(zhuǎn)到了體內(nèi)縱向電場，增強(qiáng)了橫向器件的耐壓能力。