一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT.pdf

一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT，属于半导体功率器件技术领域。本发明在传统平面非穿通型IGBT中引入空穴注入结构和集电极短路结构。所述集电极短路结构由短路N+区(3)与P型集电区(2)相间排列形成；所述空穴注入结构(14)由第三P+体区(5)、第三P型基区(6)、第三N+源区(7)和浮空导体(11)构成，其中浮空导体(11)将第三P型基区(6)和第三N+源区(7)短接。本发明在传统平面非穿通型IGBT中通过引入空穴注入结构和集电极短路结构可获得更低的导通压降，更大的饱和电流密度和更快的关断速度。采用本发明还可以使得非穿通型IGBT具有更优的基区载流子浓度分布，从而获得更好的正向导通压降和关断损耗之间的折衷。

1、  一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT，它包括金属化集电极(1)、P型集电区(2)、N^-基区(4)、P⁺体区(5)、P型基区(6)、N⁺源区(7)、多晶硅栅电极(8)、二氧化硅栅氧化层(9)、金属化源极(10)；器件从底层往上依次是金属化集电极(1)、P型集电区(2)、N^-基区(4)；居于N^-基区(4)顶部两侧由下往上依次是第一P⁺体区(5)、第一P型基区(6)、第一N⁺源区(7)和第二P⁺体区(5)、第二P型基区(6)、第二N⁺源区(7)；第一金属化源极(10)将第一P型基区(6)和第一N⁺源区(7)短接，并接源极电位；第二金属化源极(10)将第二P型基区(6)和第二N⁺源区(7)短接，并接源极电位；第一多晶硅栅电极(8)通过二氧化硅栅氧化层(9)与第一金属化源极(10)、第一N⁺源区(7)、第一P型基区(6)和N-基区(4)相隔离；第二多晶硅栅电极(8)通过二氧化硅栅氧化层(9)与第二金属化源极(10)、第二N⁺源区(7)、第二P型基区(6)和N^-基区(4)相隔离；
其特征在于，它还包括短路N⁺区(3)和空穴注入结构(14)，所述短路N⁺区(3)与P型集电区(2)相间排列，共同构成集电极短路结构；所述空穴注入结构(14)由第三P⁺体区(5)、第三P型基区(6)、第三N⁺源区(7)和浮空导体(11)构成，所述浮空导体(11)将第三P型基区(6)和第三N⁺源区(7)短接，并且电位保持浮空；
所述金属化集电极(1)、P型集电区(2)、N^-基区(4)和第一P⁺体区(5)、第一P型基区(6)、第一N⁺源区(7)、多晶硅栅电极(8)、二氧化硅栅氧化层(9)、第一金属化源极(10)构成第一绝缘栅双极型晶体管结构(12)；所述金属化集电极(1)、P型集电区(2)、N^-基区(4)和第二P⁺体区(5)、第二P型基区(6)、第二N⁺源区(7)、多晶硅栅电极(8)、二氧化硅栅氧化层(9)、第二金属化源极(10)构成第二绝缘栅双极型晶体管结构(12)；所述金属化集电极(1)、短路N⁺区(3)、N^-基区(4)和部分第二P型基区(6)、部分第三P型基区(6)、部分第二N⁺源区(7)、部分第三N⁺源区(7)以及多晶硅栅电极(8)、二氧化硅栅氧化层(9)构成垂直双扩散金属氧化物半导体结构(13)。

2、  根据权利要求1所述的一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT，其特征是，所述短路N⁺区(3)与所述的P型集电区(2)在垂直于电流方向上的面积比值为K，K的取值范围为0.05到0.5之间。

3、  根据权利要求1所述的一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT，其特征是，所述短路N⁺区(3)的形状是方形、条形或圆形。

4、  根据权利要求1所述的一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT，其特征是，所述短路N⁺区(3)的形状梯形或椭圆形。

5、  根据权利要求1所述的一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT，其特征是，所述的浮空导体(11)是浮空金属条。

一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT
技术领域
一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，属于半导体功率器件技术领域。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管，是目前发展最快的一种混合型电力电子器件。它具有MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高的优点，又具有双极功率晶体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点。广泛应用于电磁炉、UPS不间断电源、汽车电子点火器、三相电动机变频器、电焊机开关电源等产品中作为功率开关管或功率输出管。
1980年代初研究成功并投产的绝缘栅双极型晶体管是非透明集电区穿通型绝缘栅双极型晶体管，今天简称为穿通型绝缘栅双极型晶体管，其结构如图1所示，它是在高浓度的P⁺衬底22上依次外延N型缓冲层33、N型基区4后制造成的绝缘栅双极型晶体管结构。由于存在N型缓冲层33，电场在N型缓冲层33中将得到终止，从而形成一个梯形的电场分布，如图1所示，故可利用较薄的N型基区即可得到较高的击穿电压，有利于降低导通电阻，从而降低静态功耗，但是由于P⁺衬底相对较厚，浓度很高，使得背发射结的注入效率很高，关断时电子基本不能从背发射区流出，只靠在基区的复合消失，从而其关断时间很长，增大了开关损耗。为了改善其开关特性，必须控制少子寿命，已采用诸如电子辐照、氦离子注入的方法降低少子寿命，也有人用掺入重金属元素控制少子寿命。但是，这样一来，会导致导通压降成负温系数，这种导通压降的负温系数特性不利于绝缘栅双极型晶体管的并联使用，因为如果其中一支绝缘栅双极型晶体管的电流偏大一些，热电正反馈效应会使电流越来越集中在这支绝缘栅双极型晶体管中，使其温度越来越高，最终导致器件烧毁。而且绝缘栅双极型晶体管的正向导通和开关特性对少子寿命的控制有相反的要求，即少子寿命的减小，会导致正向导通压降增大，这些都会对性能控制和制造工艺带来一定难度。此外，在制造大于600V的高压穿通型绝缘栅双极型晶体管时，所需外延层厚度的增加，使得制造成本大大增加。
针对穿通型绝缘栅双极型晶体管的缺点，开发了非穿通型绝缘栅双极型晶体管，其结构如图2所示。它最主要的变革是：采用了高电阻率的FZ(区熔)单晶替换昂贵的外延片，晶体完整性和均匀性得到充分满足，在硅片背面用注入和退火的方法形成发射效率较低且较薄的P区。这一般称之为“透明集电区”，采用此技术，可以使得绝缘栅双极型晶体管在关断时，N型基区的大量过剩电子可以以扩散的方式穿透极薄的P区，而达到快速关断的效果。由于采用了透明集电区技术，使得非穿通型绝缘栅双极型晶体管与穿通型绝缘栅双极型晶体管相比，具有以下主要性能特点：导通压降呈正温度系数，功耗和电流拖尾随温度的变化小；由于对纵向PNP的发射效率有所降低和控制，明显改善了关态的延迟；因不用外延片和不用寿命控制技术而成本低。自非穿通型绝缘栅双极型晶体管发明以来，以后出现的绝缘栅双极型晶体管基本都采用透明集电区技术。但是，非穿通型绝缘栅双极型晶体管的实际关断损耗要比由通常所定义的关断损耗所得的计算值要大得多。文献J.Yamashita，T.Yamada，S.Uchida，H.Yamaguchi and S.Ishizawa，＂A Relation between Dynamic Saturation Characteristics and TailCurrent of Non-Punchthrough IGBT＂，ConfRec.of 31st IAS Annual Meeting，vol.3，pp.1425-1432，1996指出，计算上集电极额定电流10％以下的拖尾电流(几十微秒)所产生的损耗，非穿通型绝缘栅双极型晶体管的实际关断损耗要比根据一般意义上定义的关断损耗的计算值大2-3倍，这主要是由于非穿通型绝缘栅双极型晶体管的N型基区太厚造成的，所以有必要进一步降低非穿通型绝缘栅双极型晶体管的关断损耗。另一方面，非穿通型绝缘栅双极型晶体管在采用透明集电区技术提高开关速度的同时，由于没有了N型缓冲层，电场将终止于N型基区，从而形成一个三角形的电场分布，如图2所示，故为了保证耐压必须采用相对较宽的N型基区，导致导通电阻的增大，也就增加了静态损耗。特别是在承受高电压时，电导调制效应将会明显减弱，特别是在靠近发射极的N^-基区和JFET区，导通损耗增加将更为显著。所以，只通过降低背发射区注入效率来折衷导通压降和关断损耗的矛盾关系，其作用是很有限的，文献K.Sheng，F.Udrea，G.A.J.Amaratunga，“Optimum carrier distribution of theIGBT”(绝缘栅双极型晶体管载流子浓度分布的优化)，Solid-State Electronics 44，1573-1583，2000指出，要实现正向导通压降和关断损耗之间较好的优化，这和载流子在N^-基区的分布密切相关，增大发射极一侧载流子的浓度，降低集电极一侧载流子的浓度有利于实现它们之间更好的优化。
为了实现更好的导通压降和关断损耗之间的折衷，文献T.Laska，M.Miinzer，F.Pfirsch，C.Schaeffer，T.Schmidt，“The Field Stop IGBT(FS IGBT)—A New Power Device Concept with aGreat Improvement Potential”(电场终止型绝缘栅双极型晶体管—一种具有极大提升潜力的新型功率器件)，ISPSD’2000，May 22-25，Toulouse，France，提出了一种电场终止型绝缘栅双极型晶体管，其结构如图3所示，它采用离子注入的方法在硅片背面先制造一个N型缓冲层33，再注硼形成P型集电区2，由于N型缓冲层33的存在，电场将终止于N型缓冲层33，从而形成一个梯形的电场分布，如图3所示，故可使得N型基区4可以作的较薄。但是电场终止型绝缘栅双极型晶体管的N型缓冲层33是在表面结构都制作完毕以后背面注入形成的，因而不可能进行高温长时间的退火，因此N型缓冲层33的厚度和杂质的激活浓度都是很有限的，用如此薄的缓冲层作高压器件的强电场中止层在物理上很不可靠，容易失效；而且，电场终止型绝缘栅双极型晶体管要求的硅片厚度很薄，一般在70μm左右，要确保如此薄的硅片在流片的过程中不破裂，不弯曲，是相当困难的；再者，电场终止型绝缘栅双极型晶体管对N型基区中载流子的分布改变并不显著，故正向导通压降和关断损耗之间的优化还可再进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT，它具有空穴注入结构和集电极短路结构，可以获得更低的导通压降，更大的饱和电流密度，和更快的关断速度。与传统的非穿通型绝缘栅双极型晶体管相比，在100A/cm²的电流密度下，正向导通压降降低了1伏，饱和电流密度提高2.5倍。采用本发明还可以使得非穿通型绝缘栅双极型晶体管具有更优的基区载流子浓度分布，从而获得更好的正向导通压降和关断损耗之间的折衷。
本发明技术方案如下：
一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT，如图4所示，它包括金属化集电极1、P型集电区2、N^-基区4、P⁺体区5、P型基区6、N⁺源区7、多晶硅栅电极8、二氧化硅栅氧化层9、金属化源极10；器件从底层往上依次是金属化集电极1、P型集电区2、N^-基区4；居于N^-基区4顶部两侧由下往上依次是第一P⁺体区5、第一P型基区6、第一N⁺源区7和第二P⁺体区5、第二P型基区6、第二N⁺源区7；第一金属化源极10将第一P型基区6和第一N⁺源区7短接，并接源极电位；第二金属化源极10将第二P型基区6和第二N⁺源区7短接，并接源极电位；第一多晶硅栅电极8通过二氧化硅栅氧化层9与第一金属化源极10、第一N⁺源区7、第一P型基区6和N^-基区4相隔离；第二多晶硅栅电极8通过二氧化硅栅氧化层9与第二金属化源极10、第二N⁺源区7、第二P型基区6和N^-基区4相隔离。
本发明所述的具有空穴注入结构的集电极短路IGBT还包括短路N⁺区3和空穴注入结构14，所述短路N⁺区3与P型集电区2相间排列，共同构成集电极短路结构；所述空穴注入结构14由第三P⁺体区5、第三P型基区6、第三N⁺源区7和浮空导体11构成，所述浮空导体11将第三P型基区6和第三N⁺源区7短接，并且电位保持浮空。
所述金属化集电极1、P型集电区2、N^-基区4和第一P⁺体区5、第一P型基区6、第一N⁺源区7、多晶硅栅电极8、二氧化硅栅氧化层9、第一金属化源极10构成第一绝缘栅双极型晶体管结构12；所述金属化集电极1、P型集电区2、N^-基区4和第二P⁺体区5、第二P型基区6、第二N⁺源区7、多晶硅栅电极8、二氧化硅栅氧化层9、第二金属化源极10构成第二绝缘栅双极型晶体管结构12；所述金属化集电极1、短路N⁺区3、N^-基区4和部分第二P型基区6、部分第三P型基区6、部分第二N⁺源区7、部分第三N⁺源区7以及多晶硅栅电极8、二氧化硅栅氧化层9构成垂直双扩散金属氧化物半导体结构13。
本发明的工作原理：
本发明提供的一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT，可以克服传统非穿通型绝缘栅双极型晶体管导通压降大，实际关断损耗较高的缺点，获得较好的导通压降和关断损耗之间的折衷，现以图4为例，说明本发明的工作原理。
本发明所提供的一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT，在传统的非穿通型绝缘栅双极型晶体管的基础之上，采用了一个由短路N型区(3)与P型集电区(2)构成的集电极短路结构和一个空穴注入结构14。此空穴注入结构与绝缘栅双极型晶体管表面元胞结构相似，不同的是此空穴注入结构中采用一个电位浮空的导体11将第三P型基区6和第三N⁺源区7短接，且它的电位可以由图中的垂直双扩散金属氧化物半导体结构13所控制。在阻断状态下，空穴注入结构与其它的绝缘栅双极型晶体管表面元胞的耗尽层互相融合，并向低掺杂的N型基区扩展，从而使器件承受高耐压。当栅上加一个正电压，使沟道反型，绝缘栅双极型晶体管结构12和垂直双扩散金属氧化物半导体结构13同时开启，P型集电区2对N型基区的下半部分进行电导调制。由于垂直双扩散金属氧化物半导体结构13的存在，空穴注入结构的电位随集电极变化而升高，实现对绝缘栅双极型晶体管的JFET区和N型基区的上半部分注入空穴，从而进行电导调制，使正向导通压降大大降低。同时，空穴注入结构的部分空穴也会注入垂直双扩散金属氧化物半导体结构13，使它的导通压降也进一步降低，这样一来，使器件的整个JFET区和N型基区得到有效的电导调制，从而获得较低的导通损耗。由于此结构采用了空穴注入结构和集电集短路结构相结合的方式，在提高器件开关速度的同时，也使得绝缘栅双极型晶体管发射极一侧的空穴注入效率提高，使得载流子在N型基区的分布更有利于实现正向导通压降和关断损耗的优化。在器件关断后，过剩的电子可以通过集电极的短路N型区很快地被抽走，而过剩的空穴则可以通过绝缘栅双极型晶体管表面元胞的P型基区流走，从而实现了较快的开关速度。对于传统的只采用集电极短路的绝缘栅双极型晶体而言，在器件导通初期是一个DMOS的导通模式，缺乏电导调制作用，故N型基区中载流子浓度较低，导通损耗增大，故集电极短路绝缘栅双极型晶体管关断速度的提高是以牺牲导通损耗为代价的；而本发明所提供的一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT，在提高开关速度的同时，可获得比传统非穿通型绝缘栅双极型晶体管低得多的导通压降，这主要是由于所述空穴注入结构14的存在，在器件导通初期就可以得到有效的电导调制作用，N型基区中载流子浓度相对较高，导通损耗减小，故本发明所提供的一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT在提高开关速度的同时也降低了导通损耗。与此同时，由于空穴注入结构14对近表面区的电导调制作用，改变了传统的载流子在N型基区的分布，使得近表面部分的载流子浓度大大提高，而靠近集电极部分的浓度相对有所降低，实现了载流子的优化分布，可获得更好的导通压降和关断损耗之间的折衷。
借助MEDICI仿真软件可得，对所提供的如图4所示的一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT、如图5所示的传统非穿通型绝缘栅双极型晶体管和如图6所示的集电极短路绝缘栅双极型晶体管进行了仿真比较。仿真模拟薄片工艺制造的600伏的非穿通型绝缘栅双极型晶体管结构，传统非穿通型绝缘栅双极型晶体管的仿真参数为P型集电区掺杂5×10¹⁷cm^-3，厚度为5μm；N^-基区掺杂1×10¹⁴cm^-3，厚度为90μm；栅氧化层厚度为30nm，N⁺源区掺杂1×10²⁰cm^-3，P型基区掺杂2×10¹⁷cm^-3，P⁺体区掺杂4×10¹⁹cm^-3，仿真元胞宽度为30μm；集电极短路绝缘栅双极型晶体管的仿真参数为P型集电区掺杂4×10¹⁹cm^-3，其它参数与传统非穿通型绝缘栅双极型晶体管完全相同；所提供的一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT仿真参数为P型集电区掺杂4×10¹⁹cm^-3，元胞宽度为60μm，其它参数与传统非穿通型绝缘栅双极型晶体管完全相同；所选取的P型集电区掺杂浓度差异，是为了实现更好的导通压降和关断损耗之间的折衷，对于集电极短路绝缘栅双极型晶体管和本发明所提供的一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT，都具有集电极短路结构，极大地加快了器件关断过程中电子的抽取，关断损耗已经降得很低，故可相对提高P型集电区掺杂来降低导通损耗。本发明所述的一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT在栅压为20伏，集电极电压为2.65伏时的N^-基区中的空穴浓度，电子浓度的2维分布图及电流分布曲线如图7所示，由图可知，由于空穴注入结构的存在，可以实现对绝缘栅双极型晶体管的JFET区和N型基区的上半部分注入空穴，对其进行电导调制，使得器件的整个JFET区和N型基区都得到有效的电导调制，提高N型基区的载流子浓度，从而获得较低的导通损耗。图8是对三种结构在不同电流密度下导通压降的比较图，由图可知，与传统的非穿通型绝缘栅双极型晶体管相比，集电极短路绝缘栅双极型晶体管的正向导通压降明显增加，导通损耗显著增加，而本发明提供的一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT可获得更低得导通压降，在100A/cm²的电流密度下，正向导通压降降低了1伏。图9是上述三种结构在栅压为20伏的I-V曲线图，由图可知，对于集电极短路绝缘栅双极型晶体管由于采用了集电极短路结构，不但增加了导通损耗，也大大降低饱和电流密度；而对于本发明所述的一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT，由于空穴注入结构的存在，在降低导通压降的同时，也使饱和电流密度大大提高，正向导通压降和反向关断损耗之间的矛盾关系得到了更好的折衷。
综上所述，本发明提供的一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT，由于结合了集电极短路结构和空穴注入结构，使得整个N型基区和JFET区都能得到有效的电导调制，在降低关断损耗的同时，也大大降低了导通损耗，实现了正向导通压降和关断损耗之间更好的折衷。与传统的非穿通型绝缘栅双极型晶体管相比，在100A/cm²的电流密度下，正向导通压降降低了1伏，饱和电流密度提高了2.5倍。
附图说明
图1是传统的穿通型绝缘栅双极型晶体管结构示意图。
其中，1是金属化集电极，22是P⁺衬底，33是N型缓冲层，4是N^-基区，5是P⁺体区，6是P型基区，7是N⁺源区，8是多晶硅栅电极，9是二氧化硅栅氧化层，10是金属化源极。
图2是传统的非穿通型绝缘栅双极型晶体管结构示意图。
其中，1是金属化集电极，2是P型集电区，4是N^-基区，5是P⁺体区，6是P型基区，7是N⁺源区，8是多晶硅栅电极，9是二氧化硅栅氧化层，10是金属化源极。
图3是电场终止型绝缘栅双极型晶体管结构示意图。
其中，1是金属化集电极，2是P型集电区，33是N型缓冲层，4是N^-基区，5是P⁺体区，6是P型基区，7是N⁺源区，8是多晶硅栅电极，9是二氧化硅栅氧化层，10是金属化源极。
图4是本发明提供的一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT结构示意图。
其中，1是金属化集电极，2是P型集电区，3是短路N⁺区，4是N^-基区，5是P⁺体区，6是P型基区，7是N⁺源区，8是多晶硅栅电极，9是二氧化硅栅氧化层，10是金属化源极，11是浮空导体，12是传统的绝缘栅双极型晶体管结构，13是垂直双扩散金属氧化物半导体结构，14是空穴注入结构。
图5是仿真采用的非穿通型绝缘栅双极型晶体管结构示意图。
其中，1是金属化集电极，2是P型集电区，4是N^-基区，5是P⁺体区，6是P型基区，7是N⁺源区，8是多晶硅栅电极，9是二氧化硅栅氧化层，10是金属化源极。
图6是仿真采用的集电极短路绝缘栅双极型晶体管结构示意图。
其中，1是金属化集电极，2是P型集电区，3是短路N⁺区，4是N^-基区，5是P⁺体区，6是P型基区，7是N⁺源区，8是多晶硅栅电极，9是二氧化硅栅氧化层，10是金属化源极。
图7是本发明所述的一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT在栅压为20伏，集电极电压为2.65伏时N^-基区中的空穴浓度，电子浓度的2维分布图及电流分布曲线。
其中，左边为栅压20伏，集电极电压2.65伏时空穴浓度的2维分布图；中间的图为栅压20伏，集电极电压2.65伏时电子浓度的2维分布图；右边为栅压20伏，集电极电压2.65伏时的电流分布曲线。
图8是传统非穿通型绝缘栅双极型晶体管，集电极短路绝缘栅双极型晶体管和本发明所提供的一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT在不同电流密度下导通压降的比较图。
其中，conventional IGBT是指传统非穿通型绝缘栅双极型晶体管，CS-IGBT是指集电极短路绝缘栅双极型晶体管，New IGBT是指本发明所提供的一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT。
图9是传统非穿通型绝缘栅双极型晶体管，集电极短路绝缘栅双极型晶体管和本发明所提供的一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT在栅压为20伏时的I-V曲线比较图。
其中，conventional IGBT是指传统非穿通型绝缘栅双极型晶体管，CS-IGBT是指集电极短路绝缘栅双极型晶体管，New IGBT是指本发明所提供的一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT。
具体实施方式
采用本发明所提供的一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT，可以实现低的导通压降，高的饱和电流密度，实现更好的正向导通压降和关断损耗之间的折衷。随着半导体技术的发展，采用本发明还可以制作更多的快速低功耗器件。
一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT，如图4所示，它包括金属化集电极1、P型集电区2、N^-基区4、P⁺体区5、P型基区6、N⁺源区7、多晶硅栅电极8、二氧化硅栅氧化层9、金属化源极10；器件从底层往上依次是金属化集电极1、P型集电区2、N^-基区4；居于N^-基区4顶部两侧由下往上依次是第一P⁺体区5、第一P型基区6、第一N⁺源区7和第二P⁺体区5、第二P型基区6、第二N⁺源区7；第一金属化源极10将第一P型基区6和第一N⁺源区7短接，并接源极电位；第二金属化源极10将第二P型基区6和第二N⁺源区7短接，并接源极电位；第一多晶硅栅电极8通过二氧化硅栅氧化层9与第一金属化源极10、第一N⁺源区7、第一P型基区6和N^-基区4相隔离；第二多晶硅栅电极8通过二氧化硅栅氧化层9与第二金属化源极10、第二N⁺源区7、第二P型基区6和N^-基区4相隔离。
本发明所述的具有空穴注入结构的集电极短路IGBT还包括短路N⁺区3和空穴注入结构14，所述短路N⁺区3与P型集电区2相间排列，共同构成集电极短路结构；所述空穴注入结构14由第三P⁺体区5、第三P型基区6、第三N⁺源区7和浮空导体11构成，所述浮空导体11将第三P型基区6和第三N⁺源区7短接，并且电位保持浮空。
所述金属化集电极1、P型集电区2、N^-基区4和第一P⁺体区5、第一P型基区6、第一N⁺源区7、多晶硅栅电极8、二氧化硅栅氧化层9、第一金属化源极10构成第一绝缘栅双极型晶体管结构12；所述金属化集电极1、P型集电区2、N^-基区4和第二P⁺体区5、第二P型基区6、第二N⁺源区7、多晶硅栅电极8、二氧化硅栅氧化层9、第二金属化源极10构成第二绝缘栅双极型晶体管结构12；所述金属化集电极1、短路N⁺区3、N^-基区4和部分第二P型基区6、部分第三P型基区6、部分第二N⁺源区7、部分第三N⁺源区7以及多晶硅栅电极8、二氧化硅栅氧化层9构成垂直双扩散金属氧化物半导体结构13。
本发明所提供的一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT，其具体实现工艺包括：选取N型<100>晶向区熔单晶衬垫、场氧化、光刻及硼注入、栅氧化、淀积多晶硅、光刻多晶硅、P体区注入、P体区推阱、N⁺源区光刻及注入、浮空导体的沉积和光刻、沉积氧化层、刻引线孔、沉积金属、金属曝光刻蚀、背面透明P区注入、短路N⁺区光刻及注入、背面金属化和钝化等等。
在实施过程中，可以根据具体情况，在基本结构不变的情况下，进行一定的变通设计。例如：可以每隔一个或多个耗绝缘栅双极型晶体管元胞12集成一个垂直双扩散金属氧化物半导体结构14；所述短路N⁺区3与所述的P型集电区2在垂直于电流方向上的面积比值为K，K的取值范围为0.05到0.5之间；所述由短路N⁺区3，其形状可以是方形、条形或圆形等规则形状，也可以是梯形、椭圆形等非规则形状；所述的浮空导体11可采用金属条实现。