一种功率晶体管

摘要

本发明提供了一种功率晶体管，包括源极、漏极、第一栅极、第二栅极、体二极管和体区接触二极管，体二极管与体区接触二极管串联连接，第一栅极是控制栅极并通过栅极电压来控制第一栅极所控制的第一电流沟道的开启和关断，第二栅极与源极连接并通过源极电压来控制第二栅极所控制的第二电流沟道的开启和关断。本发明的功率晶体管在关断时，能够大幅降低流经体二极管的反向电流，从而能够大幅降低体二极管内的少子载流子，使得功率晶体管实现快速的反向恢复功能。

权利要求

1.一种功率晶体管，其特征在于，包括：

n型漏区以及位于所述n型漏区之上的n型漂移区，所述n型漂移区内设有p型体区，所述p型体区内设有p型体区接触区、第一n型源区和第二n型源区；

位于所述p型体区接触区之上的导电层，所述导电层与所述p型体区接触区形成体区接触二极管结构，其中所述导电层为该体区接触二极管的阴极，所述p型体区接触区为该体区接触二极管的阳极；

位于所述p型体区内且介于所述第一n型源区和所述n型漂移区之间的第一电流沟道，覆盖所述第一电流沟道的栅介质层和第一栅极，所述第一栅极通过栅极电压来控制所述第一电流沟道的开启和关断；

位于所述p型体区内且介于所述第二n型源区和所述n型漂移区之间的第二电流沟道，覆盖所述第二电流沟道的栅介质层和第二栅极，所述第二栅极、第一n型源区、第二n型源区、导电层之间电性连接并均接源极电压，所述第二栅极通过源极电压来控制所述第二电流沟道的开启和关断。

2.如权利要求1所述的一种功率晶体管，其特征在于，所述第一电流沟道的开启电压大于所述第二电流沟道的开启电压。

3.如权利要求1所述的一种功率晶体管，其特征在于，所述导电层为位于所述p型体区之上的源极金属接触层，所述p型体区接触区的掺杂浓度低于所述p型体区的掺杂浓度的最大峰值，所述p型体区接触区与所述源极金属接触层形成肖特基势垒二极管结构。

4.如权利要求3所述的一种功率晶体管，其特征在于，所述第二栅极通过所述源极金属接触层与所述第一n型源区、第二n型源区连接，所述源极金属接触层外接源极电压。

5.如权利要求1所述的一种功率晶体管，其特征在于，所述导电层为位于所述p型体区之上的n型多晶硅层，所述n型多晶硅层与所述p型体区接触区形成硅基的体区接触二极管结构。

6.如权利要求5所述的一种功率晶体管，其特征在于，所述n型多晶硅层与所述第二栅极、第一n型源区、第二n型源区直接连接，所述n型多晶硅层通过源极金属接触层外接源极电压。

7.如权利要求5所述的一种功率晶体管，其特征在于，所述n型多晶硅层与所述第一n型源区、第二n型源区直接连接，所述第二栅极通过源极金属接触层与所述n型多晶硅层连接，所述源极金属接触层外接源极电压。

8.如权利要求1所述的一种功率晶体管，其特征在于，所述导电层为位于所述p型体区内的n型掺杂区，所述n型掺杂区与所述p型体区接触区形成硅基的体区接触二极管结构。

9.如权利要求8所述的一种功率晶体管，其特征在于，所述第二栅极、第一n型源区、第二n型源区、n型掺杂区之间通过源极金属接触层连接，所述源极金属接触层外接源极电压。

说明书

一种功率晶体管

技术领域

[0001] 本发明属于半导体功率器件技术领域，特别是涉及一种具有快速反向恢复功能的功率晶体管。

背景技术

[0002] 图1是现有技术的一种功率晶体管的剖面结构示意图，如图1所示，现有技术的一种功率晶体管包括n型漏区31和位于n型漏区31之上的n型漂移区30，在n型漂移区30内设有p型体区33，p型体区33和n型漂移区30之间形成功率晶体管中寄生的体二极管结构。在p型体区33内设有p型体区接触区38和n型源区34，p型体区接触区38的掺杂浓度通常大于p型体区33的掺杂浓度的最大峰值，从而p型体区接触区38和源极金属接触层47形成欧姆接触结构。栅介质层35和栅极36位于器件的电流沟道之上，电流沟道是功率晶体管结构中当施加栅极电压时在半导体表面形成的积累层及反型层，电流沟道在图1中未示出。n源区34和p型体区接触区38通过源极金属接触层47接源极电压。源极金属接触层47与其它导电层之间由层间绝缘层50隔离。

[0003] 图2是图1所示的功率晶体管的等效电路示意图。如图2所示，现有技术的功率晶体管包括漏极101、源极102、栅极103、和体二极管104，其中，体二极管104是功率晶体管中的本征寄生结构。现有技术的功率晶体管的工作机理是：1)当栅源电压Vgs小于功率晶体管的阈值电压Vth(即电流沟道的开启电压)，漏源电压Vds大于0V时，功率晶体管处于关闭状态；2)当栅源电压Vgs大于功率晶体管的的阈值电压Vth，漏源电压Vds大于0V时，功率晶体管正向开启，此时电流从漏极经电流沟道流到源极。现有技术的功率晶体管在关断时，当漏源电压Vds小于0V时，体二极管处于正偏压状态，反向电流从源极经体二极管流至漏极，此时体二极管的电流存在注入少子载流子现象，而这些少子载流子在功率晶体管再一次开启时进行反向恢复，导致较大的反向恢复电流，反向恢复时间长。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有快速反向恢复功能的功率晶体管，以解决现有技术中的功率晶体管因少子载流子注入问题造成的反向恢复时间较长的技术问题。

[0005] 本发明实施例提供了一种功率晶体管，包括：

[0006] n型漏区以及位于所述n型漏区之上的n型漂移区，所述n型漂移区内设有p型体区，所述p型体区内设有p型体区接触区、第一n型源区和第二n型源区，通常所述p型体区接触区设于所述第一n型源区和所述第二n型源区之间；

[0007] 位于所述p型体区接触区之上的导电层，所述导电层与所述p型体区接触区形成体区接触二极管结构，其中所述导电层为该体区接触二极管结构的阴极，所述p型体区接触区为该体区接触二极管结构的阳极；

[0008] 位于所述p型体区内且介于所述第一n型源区和所述n型漂移区之间的第一电流沟道，覆盖所述第一电流沟道的栅介质层和第一栅极，所述第一栅极通过栅极电压来控制所述第一电流沟道的开启和关断；

[0009] 位于所述p型体区内且介于所述第二n型源区和所述n型漂移区之间的第二电流沟道，覆盖所述第二电流沟道的栅介质层和第二栅极，所述第二栅极、第一n型源区、第二n型源区、导电层之间电性连接并均接源极电压，所述第二栅极通过源极电压来控制所述第二电流沟道的开启和关断。

[0010] 可选的，所述第一电流沟道的开启电压大于所述第二电流沟道的开启电压。

[0011] 可选的，所述导电层为位于所述p型体区之上的源极金属接触层，所述p型体区接触区的掺杂浓度低于所述p型体区的掺杂浓度的最大峰值，所述p型体区接触区与源极金属接触层形成肖特基势垒二极管结构，其中，所述源极金属接触层为阴极，所述p型体区接触区为阳极。

[0012] 可选的，所述第二栅极通过所述源极金属接触层与所述第一n型源区、第二n型源区连接，所述源极金属接触层外接源极电压。

[0013] 可选的，所述导电层为位于所述p型体区之上的n型多晶硅层，所述n型多晶硅层与所述p型体区接触区形成硅基的体区接触二极管结构，其中，所述n型多晶硅层为阴极，所述p型体区接触区为阳极。

[0014] 可选的，所述n型多晶硅层与所述第二栅极、第一n型源区、第二n型源区直接连接，所述n型多晶硅层通过源极金属接触层外接源极电压。

[0015] 可选的，所述n型多晶硅层与所述第一n型源区、第二n型源区直接连接，所述第二栅极通过源极金属接触层与所述n型多晶硅层连接，所述源极金属接触层外接源极电压。

[0016] 可选的，所述导电层为位于所述p型体区内的n型掺杂区，所述n型掺杂区设于所述第一n型源区和所述第二n型源区之间，所述n型掺杂区与所述p型体区接触区形成硅基的体区接触二极管结构，其中，所述n型掺杂区为阴极，所述p型体区接触区为阳极。

[0017] 可选的，所述第二栅极、第一n型源区、第二n型源区、n型掺杂区之间通过源极金属接触层连接，所述源极金属接触层外接源极电压。

[0018] 本发明实施例提供的一种功率晶体管在关断时，当源极电压大于漏极电压时，体区接触二极管处于负偏压状态，这能够大幅降低流经体二极管的反向电流，从而能够大幅减少体二极管内的少子载流子，进而能够减少功率晶体管的反向恢复电荷和反向恢复时间，使得功率晶体管能够实现快速的反向恢复功能；同时，当源漏电压达到第二电流沟道的开启电压时，第二栅极所控制的第二电流沟道开启，此时反向电流会由源极经第二栅极所控制的第二电流沟道流至漏极。

附图说明

[0019] 为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。

[0020] 图1是现有技术的一种功率晶体管的剖面结构示意图；

[0021] 图2是图1所示的一种功率晶体管的等效电路示意图；

[0022] 图3是本发明提供的一种功率晶体管的第一个实施例的剖面结构示意图；

[0023] 图4是本发明提供的一种功率晶体管的一个实施例的等效电路示意图；

[0024] 图5是本发明提供的一种功率晶体管的第二个实施例的俯视结构示意图；

[0025] 图6是图5所示的一种功率晶体管沿AA方向的剖面结构示意图；

[0026] 图7是本发明提供的一种功率晶体管的第三个实施例的剖面结构示意图；

[0027] 图8是本发明提供的一种功率晶体管的第四个实施例的剖面结构示意图。

具体实施方式

[0028] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。

[0029] 应当理解，本发明所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”等术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。同时，为清楚地说明本发明的具体实施方式，说明书附图中所列示意图，放大了本发明所述的层和区域的厚度，且所列图形大小并不代表实际尺寸；说明书附图是示意性的，不应限定本发明的范围。说明书中所列实施例不应仅限于说明书附图中所示区域的特定形状，而是包括所得到的形状如制备引起的偏差等。

[0030] 本领域的技术人员应当理解，功率晶体管包括元胞区和终端区，其中，元胞区用于获得低导通电阻，终端区用于提高元胞区中最边缘的元胞的耐压。终端区是功率晶体管中的通用结构，根据不同产品的要求有不同的设计结构，在本发明实施例中不再展示和描述功率晶体管的终端区的具体结构。本发明实施例中所述的功率晶体管指的是功率晶体管中元胞区的结构。

[0031] 图3是本发明的一种功率晶体管的第一个实施例的剖面结构示意图，如图3所示，本发明的一种功率晶体管包括n型漏区31和位于n型漏区31之上的n型漂移区30，在n型漂移区30内形成有p型体区33，p型体区33的数量依据具体产品的要求来设定，图3中仅示例性的示出了两个p型体区33的结构。每个p型体区33内分别形成有p型体区接触区38、第一n型源区34a和第二n型源区34b，p型体区接触区38通常设置于第一n型源区34a和第二n型源区34b之间。

[0032] 位于p型体区接触区38之上的导电层37，导电层37与p型体区接触区38形成体区接触二极管结构，其中导电层37为该体区接触二极管结构的阴极，p型体区接触区38为该体区接触二极管结构的阳极。可选的，导电层37可以为n型多晶硅层，也可以为金属层，由此体区接触二极管可以是硅基的体区接触二极管，也可以是肖特基势垒二极管。

[0033] p型体区33和n型漂移区30之间形成功率晶体管中寄生的体二极管结构，其中p型体区33为该体二极管的阳极，n型漂移区30为该体二极管的阴极，由此体区接触二极管的阳极与体二极管的阳极连接。

[0034] 位于p型体区33内且介于第一n型源区34a和n型漂移区30之间的第一电流沟道，覆盖该第一电流沟道的栅介质层35和第一栅极36a，第一栅极36a是控制栅极并通过栅极电压来控制第一电流沟道的开启和关断。

[0035] 位于p型体区33内且介于第二n型源区34b和n型漂移区30之间的第二电流沟道，覆盖该第二电流沟道的栅介质层35和第二栅极36b。第二栅极36b、第一n型源区34a、第二n型源区34b与导电层37之间电性连接并均接源极电压，第二栅极36b通过源极电压来控制第二电流沟道的开启和关断。

[0036] 优选的，第二电流沟道的开启电压要小于第一电流沟道的开启电压。

[0037] 电流沟道是功率晶体管中当施加栅极电压时在半导体表面形成的积累层及反型层，在本发明实施例附图中，功率晶体管中的第一电流沟道和第二电流沟道均未示出。同时，在图3所示的本发明的功率晶体管的实施例中，导电层37与第一n型源区34a、第二n型源区34b直接连接，因此只需要将导电层37与第二栅极36b电性连接即可。

[0038] 图4为本发明提供的一种功率晶体管的一个实施例的等效电路示意图。如图4所示，本发明提供的一种功率晶体管包括漏极301、源极302、第一栅极303a、第二栅极303b、体二极管304和体区接触二极管305，第二栅极303b与源极302连接，体区接触二极管305可以为硅基二极管或者为肖特基势垒二极管，且体二极管304的阴极与漏极301连接，体区接触二极管305的阳极与体二极管304的阳极连接，体区接触二极管305的阴极与源极302连接。本发明的第一栅极303a为控制栅极，第一栅极303a通过栅极电压来控制第一栅极303a所控制的第一电流沟道的开启和关断，其中，第一电流沟道为漏极301、源极302和第一栅极303a构成的第一MOSFET结构的电流沟道。第二栅极303b与源极302连接，从而第二栅极303b通过源极电压来控制第二栅极所控制的第二电流沟道的开启和关断，其中，第二电流沟道为漏极301、源极302和第二栅极303b构成的第二MOSFET结构的电流沟道。优选的第一MOSFET结构的阈值电压Vth1(即第一电流沟道的开启电压)要大于第二MOSFET结构的阈值电压Vth2(即第二电流沟道的开启电压)。

[0039] 图4所示的本发明的一种功率晶体管的工作机理是：1)当栅源电压Vgs小于第一MOSFET结构的阈值电压Vth1，漏源电压Vds大于0V时,该功率晶体管处于关闭状态；2)当栅源电压Vgs大于第一MOSFET结构的的阈值电压Vth1，漏源电压Vds大于0V时，该功率晶体管正向开启，此时第一栅极303a所控制的第一电流沟道开启，电流从漏极301经第一电流沟道流到源极302，而第二栅极303b所控制的第二电流沟道处于关断状态而没有电流流过。本发明的一种功率晶体管在关断时：当源漏电压Vsd大于0V时，体区接触二极管305处于负偏压状态，这能够大幅度降低流经体二极管304的反向电流，从而能够大幅降低体二极管304内的少子载流子，进而能够大幅降低功率晶体管的反向恢复电荷和反向恢复时间，使得功率晶体管能够实现快速的反向恢复功能；同时，当源漏电压Vsd达到第二MOSFET结构的阈值电压Vth2时，第二栅极303b所控制的第二电流沟道处于开启状态，从而反向电流由源极302经第二电流沟道流至漏极301。

[0040] 图5是本发明提供的一种功率晶体管的第二个实施例的俯视结构示意图，需要说明的是，图5并不是俯视图，图5只是从俯视的角度示出了本发明的一种功率晶体管中部分结构的位置关系。图6是图5所示的一种功率晶体管沿AA方向的剖面结构示意图，图6中仅示例性的示出了两个p型体区33结构。图5和图6是本发明提供的一种功率晶体管在图3所示的本发明的一种功率晶体管的实施例的基础上，体区接触二极管采用肖特基势垒二极管结构的一个实施例。如图5和图6所示，在p型体区33之上形成有源极金属接触层47，源极金属接触层47即为位于p型体区接触区38之上的导电层，此时，p型体区接触区38的掺杂浓度需要低于p型体区33的掺杂浓度的最大峰值，由此p型体区接触区38和源极金属接触层47形成肖特基势垒二极管结构，其中，源极金属接触层47为该体区接触二极管的阴极，p型体区接触区38为该体区接触二极管的阳极。图5中只示例性的示出了源极金属接触孔中的源极金属接触层的位置。源极金属接触层47与第二栅极36b、第一n型源区34a、第二n型源区34b连接，源极金属接触层47外接源极电压，由此第二栅极36b通过源极电压来控制第二栅极36b所控制的第二电流沟道的开启和关断。第一栅极36a通过栅极金属接触层74接栅极电压，由此第一栅极36a通过栅极电压来控制第一栅极36a所控制的第一电流沟道的开启和关断。源极金属接触层47与栅极金属接触层之间由层间绝缘层50隔离，层间绝缘层50通常为硅玻璃、硼磷硅玻璃或磷硅玻璃等材料。

[0041] 图7是本发明提供的一种功率晶体管的第三个实施例的剖面结构示意图，图7是本发明提供的一种功率晶体管在图3所示的本发明的一种功率晶体管的实施例的基础上，体区接触二极管采用硅基二极管的一个实施例。如图7所示，在p型体区33之上形成有n型多晶硅层57，n型多晶硅层57即为位于p型体区接触区38之上的导电层，由此p型体区接触区38和n型多晶硅层57形成硅基的体区接触二极管结构，其中，n型多晶硅层57为该体区接触二极管的阴极，p型体区接触区38为该体区接触二极管的阳极。n型多晶硅层57可以与第二栅极36b、第一n型源区34a、第二n型源区34b直接连接，然后n型多晶硅层57通过源极金属接触层
47外接源极电压，如图7所示；也可以是n型多晶硅层57与第一n型源区34a、第二n型源区34b直接连接，第二栅极36b与n型多晶硅层57之间通过源极金属接触层47连接，然后源极金属接触层47外接源极电压。在该实施例中，n型多晶硅层57与第二栅极36b、第一n型源区34a、第二n型源区34b直接连接，然后n型多晶硅层57通过源极金属接触层47外接源极电压，由此第二栅极36b通过源极电压来控制第二栅极36b所控制的第二电流沟道的开启和关断。第一栅极36a通过栅极金属接触层(基于剖面的位置关系，栅极金属接触层在图7中未示出)外接栅极电压，由此第一栅极36a通过栅极电压来控制第一栅极36a所控制的第一电流沟道的开启和关断。源极金属接触层47与栅极金属接触层之间由层间绝缘层50隔离，层间绝缘层50通常为硅玻璃、硼磷硅玻璃或磷硅玻璃等材料。

[0042] 图8是本发明提供的一种功率晶体管的第四个实施例的剖面结构示意图。如图8所示，本发明的一种功率晶体管包括n型漏区31和位于n型漏区31之上的n型漂移区30，在n型漂移区30内形成有p型体区33，p型体区33的数量依据具体产品的要求来设定，图8中仅示例性的示出了两个p型体区33结构。

[0043] 位于p型体区33内的p型体区接触区38、n型掺杂区39、第一n型源区34a和第二n型源区34b，p型体区接触区38和n型掺杂区39设于第一n型源区34a和第二n型源区34b之间，n型掺杂区39位于p型体区接触区38之上，n型掺杂区39即为位于p型体区接触区38之上的导电层。由此，n型掺杂区39与p型体区接触区39形成硅基的体区接触二极管结构，其中，n型掺杂区39为该体区接触二极管结构的阴极，p型体区接触区38为该体区接触二极管结构的阳极。

[0044] 位于p型体区33内且介于第一n型源区34a和n型漂移区30之间的第一电流沟道，覆盖该第一电流沟的栅介质层35和第一栅极36a，第一栅极36a是控制栅极并通过栅极金属接触层(基于剖面的位置关系，栅极金属接触层在图8中未示出)外接栅极电压，由此，第二栅极36a通过栅极电压来控制第一栅极36b所控制的第一电流沟道的开启和关断。

[0045] 位于p型体区33内且介于第二n型源区34b和n型漂移区30之间的第二电流沟道，覆盖该第二电流沟道的栅介质层35和第二栅极36b。第二栅极36b、第一n型源区34a、第二n型源区34b与n型掺杂区39之间由源极金属接触层47连接，源极金属接触层47外接源极电压，由此第二栅极36b通过源极电压来控制第二栅极36b所控制的第二电流沟道的开启和关断。

[0046] 优选的，第一电流沟道的开启电压要大于第二电流沟道的开启电压。

[0047] 源极金属接触层47与栅极金属接触层之间由层间绝缘层50隔离，层间绝缘层50通常为硅玻璃、硼磷硅玻璃或磷硅玻璃等材料。

[0048] 以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种功率晶体管技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

[0049] 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。