吳 毅，夏 云，劉 超，陳萬軍

（電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610054）

1 引言

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是20 世紀(jì)80 年代發(fā)展起來的一種電壓控制雙極型復(fù)合器件，廣泛應(yīng)用于中大功率電力變換領(lǐng)域［1-2］。在大部分應(yīng)用IGBT 的電路中，需要給IGBT 反向并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管來實(shí)現(xiàn)反向?qū)?。未并?lián)續(xù)流二極管的IGBT 在反向工作模式下等效于開基區(qū)PNP 晶體管，沒有反向?qū)芰Γ?］。

為使IGBT 具有反向?qū)芰Γ鎸?dǎo)型IGBT（RC-IGBT）被提出，其通過在IGBT 背面的P+集電極區(qū)引入部分N+區(qū)，在IGBT 體內(nèi)集成續(xù)流二極管。RC-IGBT 不僅實(shí)現(xiàn)了逆導(dǎo)能力，而且可以減少引線帶來的寄生電感并減小系統(tǒng)體積，因此被廣泛應(yīng)用［4-5］。但是傳統(tǒng)的逆導(dǎo)型IGBT 在正向?qū)〞r(shí)往往存在電壓折回現(xiàn)象。這是由于RC-IGBT 引入的集電極N+區(qū)會(huì)使器件在集電極電壓低時(shí)工作在單極型導(dǎo)通模式，隨著集電極電壓的增大，器件才進(jìn)入雙極型導(dǎo)通模式。從單極型導(dǎo)通向雙極型導(dǎo)通模式轉(zhuǎn)換時(shí)，由于電阻的下降，電壓發(fā)生折回現(xiàn)象［6］，這不僅影響器件導(dǎo)通功耗，也不利于器件串并聯(lián)應(yīng)用。因此抑制折回現(xiàn)象在RC-IGBT 的設(shè)計(jì)中尤為重要［7-8］，增加漂移區(qū)濃度，增大集電極P+區(qū)域與集電極N+區(qū)域長(zhǎng)度比例可以改善折回現(xiàn)象［9］。

傳統(tǒng)超結(jié)RC-IGBT（Conv-SJ-RC-IGBT）在傳統(tǒng)RC-IGBT 的漂移區(qū)內(nèi)引入了交替的P/N 柱超結(jié)結(jié)構(gòu)［9］，與傳統(tǒng)RC-IGBT 結(jié)構(gòu)相比，超結(jié)RC-IGBT 的漂移區(qū)濃度極大地提高了，因此器件的折回現(xiàn)象得到了明顯改善［8］。但是集電極P+區(qū)域與集電極N+區(qū)域的長(zhǎng)度比例對(duì)器件折回現(xiàn)象的影響依舊存在。雖然增大集電極P+區(qū)域與集電極N+區(qū)域長(zhǎng)度比例可以改善折回現(xiàn)象，但是反向電流分布會(huì)愈加不均勻。

為了消除折回現(xiàn)象，改善導(dǎo)通電流分布，本文提出了一種新型超結(jié)RC-IGBT（Prop-SJ-RC-IGBT）結(jié)構(gòu)，其利用超結(jié)的P 柱將集電極P+區(qū)域與集電極N+區(qū)域隔開，在器件正向?qū)〞r(shí)，P 柱可以阻擋電子，從而使電子不被集電極N+抽取，器件導(dǎo)通時(shí)直接進(jìn)入IGBT 雙極型導(dǎo)通模式，因此折回現(xiàn)象被完全消除，并且導(dǎo)通壓降與關(guān)斷損耗的折中關(guān)系也得到改善。

2 結(jié)構(gòu)與原理

圖1（a）（b）為Conv-SJ-RC-IGBT 和本文提出的Prop-SJ-RC-IGBT 半元胞區(qū)結(jié)構(gòu)。與Conv-SJ-RCIGBT 相比，Prop-SJ-RC-IGBT 利用超結(jié)的P 柱將N+區(qū)域與N-FS 層及集電極P+區(qū)域隔開。此外，為保證器件耐壓，Prop-SJ-RC-IGBT 通過氧化層隔離集電極金屬與P 柱，氧化層厚度小于集電極金屬厚度。

圖1 器件結(jié)構(gòu)及正向進(jìn)入雙極型導(dǎo)通的電子路徑

對(duì)于Conv-SJ-RC-IGBT，在正向?qū)〞r(shí)，柵極電壓使器件溝道開啟后，電子由N+發(fā)射極經(jīng)過電子溝道再到N-CS 層、N 漂移區(qū)、N-FS 層，最后到N+集電極，該過程僅電子一種載流子參與導(dǎo)電，為單極型導(dǎo)電模式。圖1（c）中電流流經(jīng)N-FS 層，會(huì)在N-FS 層的寄生電阻上產(chǎn)生橫向壓降，當(dāng)橫向壓降大于集電極P+/集電極N+結(jié)內(nèi)建電勢(shì)（300 K 時(shí)約為0.7 V）時(shí)，P+集電極與N-FS 層形成的PN 結(jié)開啟，空穴由P+集電極注入N-FS 層，經(jīng)漂移區(qū)再到N-CS 層，最后通過P-body流入發(fā)射極，器件進(jìn)入雙極型導(dǎo)電模式。由于大量空穴的注入產(chǎn)生的電導(dǎo)調(diào)制，會(huì)使得器件的導(dǎo)通電阻減?。?0］，如果不進(jìn)行合理優(yōu)化，導(dǎo)通電阻下降過快，RC-IGBT 的I-V 曲線可能出現(xiàn)折回現(xiàn)象。增大集電極P+與N+長(zhǎng)度比例可以改善折回現(xiàn)象，但是反向電流分布會(huì)愈加不均勻。而本文提出的Prop-SJ-RC-IGBT在正向?qū)〞r(shí)，由于P 柱將集電極N+區(qū)與N-FS 層隔開，電子會(huì)在N-FS 層積累，不會(huì)經(jīng)集電極N+區(qū)流走。因此當(dāng)器件導(dǎo)通時(shí)，電子由N+發(fā)射極經(jīng)過電子溝道再到N-CS 層、漂移區(qū)，在FS 層積累；隨著集電極與發(fā)射極之間的偏壓VCE的增加，N-FS 層積累的電子使集電極P+區(qū)與N-FS 層形成的PN 結(jié)開啟，器件直接進(jìn)入雙極型導(dǎo)電模式。因此，Prop-SJ-RC-IGBT 完全消除了常規(guī)RC-IGBT 正向?qū)〞r(shí)存在的折回現(xiàn)象。此外，新結(jié)構(gòu)可以通過優(yōu)化集電極P+區(qū)域與集電極N+區(qū)域長(zhǎng)度比例來進(jìn)一步改善器件的性能。

3 結(jié)果與討論

通過仿真參數(shù)對(duì)2 種器件的電學(xué)特性進(jìn)行比較，器件關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 器件關(guān)鍵仿真參數(shù)

半元胞寬度為W，集電極N+區(qū)寬度WN為1 μm，為方便后續(xù)討論，定義參數(shù)η=WN∶W。

根據(jù)表1 的仿真參數(shù)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)耐壓為1530 V，新結(jié)構(gòu)的耐壓為1500 V。

3.1 正向?qū)ㄌ匦?/h3>

圖2 為2 種結(jié)構(gòu)的器件正向?qū)ㄇ闆r。從圖2（a）可見，對(duì)于Conv-SJ-RC-IGBT，η 對(duì)其性能影響十分明顯，當(dāng)η 較大，正向?qū)〞r(shí)，I-V 曲線存在明顯的折回現(xiàn)象。隨著η 的減小，折回現(xiàn)象逐漸緩解，當(dāng)η=1∶48時(shí)，Conv-SJ-RC-IGBT 的折回現(xiàn)象基本消失。而對(duì)于Prop-SJ-RC-IGBT，I-V 曲線不存在折回現(xiàn)象。在電流密度ICE=100 A/cm2時(shí)，Conv-SJ-RC-IGBT 的正向?qū)▔?降 VF為 1.87 V，Prop-SJ-RC-IGBT 與 Conv-SJRC-IGBT（η=1∶48）相比VF降低了20.9%，僅為1.48 V。

圖2 Conv-SJ-RC-IGBT 與Prop-SJ-RC-IGBT 正向?qū)ㄇ闆r

圖2（b）為2 種器件正向?qū)〞r(shí)的電流分布，Prop-SJ-RC-IGBT 導(dǎo)通時(shí)電流分布更為均勻。可以看到，Conv-SJ-RC-IGBT 在靠近集電極N+區(qū)附近的電流密度很小，這是由于集電極P+區(qū)上方的橫向電流一定時(shí)，需要流經(jīng)足夠長(zhǎng)的區(qū)域，產(chǎn)生的橫向壓降才能使集電極P+與N-FS 層形成的PN 結(jié)開啟。而Prop-SJ-RC-IGBT 的開啟機(jī)理與常規(guī)IGBT 相同，集電極P+與N-FS 層形成的PN 結(jié)各個(gè)區(qū)域都是同時(shí)開啟的，電流分布更均勻。

3.2 反向?qū)ㄌ匦?/h3>

圖3 為Conv-SJ-RC-IGBT 與Prop-SJ-RC-IGBT的反向?qū)ㄇ闆r。對(duì)于Conv-SJ-RC-IGBT，為了消除正向I-V曲線的折回現(xiàn)象，需要減小η。而Prop-SJ-RC-IGBT 即使在元胞寬度小的情況下也不會(huì)有折回現(xiàn)象。因此在相同的芯片面積下，新結(jié)構(gòu)的集電極N+區(qū)面積更大，具有更小的導(dǎo)通電阻。圖3（a）中，在電流密度ICE=-100 A/cm2時(shí)，Con-SJ-RC-IGBT的反向?qū)▔航礦R為1.4 V（絕對(duì)值），而Prop-SJ-RCIGBT 的反向?qū)▔航禐?.11 V（絕對(duì)值）。本文提出的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，反向?qū)▔航迪陆盗?0.7%，具有更強(qiáng)的反向?qū)芰ΑD3（b）是導(dǎo)通電流密度為-100 A/cm2時(shí)的電流分布，對(duì)于Conv-SJ-RC-IGBT，由于集電極N+區(qū)域占元胞寬度比例小，導(dǎo)致集電極側(cè)的電流分布不均勻，容易出現(xiàn)局部熱積累。相比之下，Prop-SJ-RC-IGBT 的電流分布更均勻。

圖3 Conv-SJ-RC-IGBT 與Prop-SJ-RC-IGBT 反向?qū)ㄇ闆r

3.3 關(guān)斷特性

在相同正向?qū)▔航担╒F=1.55 V）下關(guān)斷器件，得到如圖4（a）所示的電流電壓變化波形及如圖4（b）所示的關(guān)斷過程中內(nèi)部空穴載流子的分布變化情況。圖4（a）中Prop-SJ-RC-IGBT 的關(guān)斷速度更快，對(duì)關(guān)斷開始至結(jié)束時(shí)間段內(nèi)電流和電壓的乘積進(jìn)行積分可得到器件的關(guān)斷損耗，Conv-SJ-RC-IGBT 的關(guān)斷損耗為0.487 mJ/cm2，Prop-SJ-RC-IGBT關(guān)斷損耗僅為0.390 mJ/cm2，相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)降低了19.9%。圖4（b）中t0時(shí)刻，Prop-SJ-RC-IGBT 的空穴較Conv-SJ-RCIGBT 的分布更均勻，且在發(fā)射極一側(cè)的濃度更高，這有利于在關(guān)斷過程中空穴被發(fā)射極抽取。從t0時(shí)刻到t4時(shí)刻空穴分布的變化可以看出，Prop-SJ-RC-IGBT 的空穴抽取速度更快，因此其關(guān)斷速度更快，關(guān)斷損耗更小。

圖4 Conv-SJ-RC-IGBT 與Prop-SJ-RC-IGBT 關(guān)斷過程

3.4 正向?qū)▔航蹬c關(guān)斷損耗及反向?qū)▔航档恼壑嘘P(guān)系

圖5 所示為新結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的正向?qū)▔航礦F與關(guān)斷損耗Eoff及反向?qū)▔航礦R的折中關(guān)系。Prop-SJ-RC-IGBT 的折中關(guān)系明顯優(yōu)于Conv-SJRC-IGBT 的折中關(guān)系。在正向?qū)▔航禐?.87 V 時(shí)，Prop-SJ-RC-IGBT 的關(guān)斷損耗為0.28 mJ/cm2，相比Conv-SJ-RC-IGBT 的0.36 mJ/cm2降低了22.2%。關(guān)斷損耗均為0.36 mJ/cm2時(shí)，Prop-SJ-RC-IGBT 的正向?qū)▔航禐?.57 V，相比Conv-SJ-RC-IGBT 的1.87 V 減小了16.0%。增大η 可以有效改善VF-Eoff折中關(guān)系，但是過大的η 會(huì)使反向?qū)〞r(shí)電流分布不均勻，影響器件的可靠性。

圖5 Conv-SJ-RC-IGBT 與Prop-SJ-RC-IGBT 折中關(guān)系比較

η 的變化會(huì)影響器件的VF和Eoff以及VF和VR之間存在的折中關(guān)系，Prop-SJ-RC-IGBT 的折中關(guān)系明顯優(yōu)于Conv-SJ-RC-IGBT。這是由于新結(jié)構(gòu)利用P 柱隔離了集電極P+和N+，因此η 的變化對(duì)器件正向?qū)ㄌ匦缘挠绊憸p弱。從圖5 可以看出，由于新結(jié)構(gòu)正向?qū)〞r(shí)工作在雙極型導(dǎo)通模式，因此η 的增加對(duì)VF影響較小。而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)正向?qū)〞r(shí)需要從單極型導(dǎo)通模式向雙極型導(dǎo)通模式切換，η 的變化極大地影響了模式切換時(shí)的電壓，從而影響器件正向?qū)▔航怠?/p>

4 結(jié)論

本文提出通過超結(jié)漂移區(qū)的P 柱結(jié)構(gòu)隔離集電極的超結(jié)逆導(dǎo)IGBT，與傳統(tǒng)的超結(jié)逆導(dǎo)IGBT 相比，新結(jié)構(gòu)消除了正向?qū)〞r(shí)的折回現(xiàn)象，正向?qū)▔航禍p小了20.9%，反向?qū)▔航禍p小了20.7%，相同正向?qū)▔航迪玛P(guān)斷損耗降低了19.9%。此外，新結(jié)構(gòu)具有更好的正向?qū)▔航?關(guān)斷損耗及正向?qū)▔航?反向?qū)▔航档恼壑嘘P(guān)系。