一種新型無電壓折回現(xiàn)象的超結(jié)逆導型IGBT

吳 毅，夏 云，劉 超，陳萬軍

（電子科技大學電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，成都 610054）

1 引言

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是20 世紀80 年代發(fā)展起來的一種電壓控制雙極型復合器件，廣泛應用于中大功率電力變換領域［1-2］。在大部分應用IGBT 的電路中，需要給IGBT 反向并聯(lián)一個續(xù)流二極管來實現(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虸GBT（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 不僅實現(xiàn)了逆導能力，而且可以減少引線帶來的寄生電感并減小系統(tǒng)體積，因此被廣泛應用［4-5］。但是傳統(tǒng)的逆導型IGBT 在正向?qū)〞r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)會使器件在集電極電壓低時工作在單極型導通模式，隨著集電極電壓的增大，器件才進入雙極型導通模式。從單極型導通向雙極型導通模式轉(zhuǎn)換時，由于電阻的下降，電壓發(fā)生折回現(xiàn)象［6］，這不僅影響器件導通功耗，也不利于器件串并聯(lián)應用。因此抑制折回現(xiàn)象在RC-IGBT 的設計中尤為重要［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)域的長度比例對器件折回現(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)域長度比例可以改善折回現(xiàn)象，但是反向電流分布會愈加不均勻。

為了消除折回現(xiàn)象，改善導通電流分布，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，P 柱可以阻擋電子，從而使電子不被集電極N+抽取，器件導通時直接進入IGBT 雙極型導通模式，因此折回現(xiàn)象被完全消除，并且導通壓降與關斷損耗的折中關系也得到改善。

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)及正向進入雙極型導通的電子路徑

對于Conv-SJ-RC-IGBT，在正向?qū)〞r，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電，為單極型導電模式。圖1（c）中電流流經(jīng)N-FS 層，會在N-FS 層的寄生電阻上產(chǎn)生橫向壓降，當橫向壓降大于集電極P+/集電極N+結(jié)內(nèi)建電勢（300 K 時約為0.7 V）時，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，器件進入雙極型導電模式。由于大量空穴的注入產(chǎn)生的電導調(diào)制，會使得器件的導通電阻減?。?0］，如果不進行合理優(yōu)化，導通電阻下降過快，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+長度比例可以改善折回現(xiàn)象，但是反向電流分布會愈加不均勻。而本文提出的Prop-SJ-RC-IGBT在正向?qū)〞r，由于P 柱將集電極N+區(qū)與N-FS 層隔開，電子會在N-FS 層積累，不會經(jīng)集電極N+區(qū)流走。因此當器件導通時，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，器件直接進入雙極型導電模式。因此，Prop-SJ-RC-IGBT 完全消除了常規(guī)RC-IGBT 正向?qū)〞r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)域長度比例來進一步改善器件的性能。

3 結(jié)果與討論

通過仿真參數(shù)對2 種器件的電學特性進行比較，器件關鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 器件關鍵仿真參數(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，對于Conv-SJ-RC-IGBT，η 對其性能影響十分明顯，當η 較大，正向?qū)〞r，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η=1∶48時，Conv-SJ-RC-IGBT 的折回現(xiàn)象基本消失。而對于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，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的電流分布，Prop-SJ-RC-IGBT 導通時電流分布更為均勻。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，需要流經(jīng)足夠長的區(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 的開啟機理與常規(guī)IGBT 相同，集電極P+與N-FS 層形成的PN 結(jié)各個區(qū)域都是同時開啟的，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，具有更小的導通電阻。圖3（a）中，在電流密度ICE=-100 A/cm2時，Con-SJ-RC-IGBT的反向?qū)▔航礦R為1.4 V（絕對值），而Prop-SJ-RCIGBT 的反向?qū)▔航禐?.11 V（絕對值）。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%，具有更強的反向?qū)芰?。圖3（b）是導通電流密度為-100 A/cm2時的電流分布，對于Conv-SJ-RC-IGBT，由于集電極N+區(qū)域占元胞寬度比例小，導致集電極側(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 關斷特性

在相同正向?qū)▔航担╒F=1.55 V）下關斷器件，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 的關斷速度更快，對關斷開始至結(jié)束時間段內(nèi)電流和電壓的乘積進行積分可得到器件的關斷損耗，Conv-SJ-RC-IGBT 的關斷損耗為0.487 mJ/cm2，Prop-SJ-RC-IGBT關斷損耗僅為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，這有利于在關斷過程中空穴被發(fā)射極抽取。從t0時刻到t4時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，因此其關斷速度更快，關斷損耗更小。

圖4 Conv-SJ-RC-IGBT 與Prop-SJ-RC-IGBT 關斷過程

3.4 正向?qū)▔航蹬c關斷損耗及反向?qū)▔航档恼壑嘘P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與關斷損耗Eoff及反向?qū)▔航礦R的折中關系。Prop-SJ-RC-IGBT 的折中關系明顯優(yōu)于Conv-SJRC-IGBT 的折中關系。在正向?qū)▔航禐?.87 V 時，Prop-SJ-RC-IGBT 的關斷損耗為0.28 mJ/cm2，相比Conv-SJ-RC-IGBT 的0.36 mJ/cm2降低了22.2%。關斷損耗均為0.36 mJ/cm2時，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折中關系，但是過大的η 會使反向?qū)〞r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 折中關系比較

η 的變化會影響器件的VF和Eoff以及VF和VR之間存在的折中關系，Prop-SJ-RC-IGBT 的折中關系明顯優(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工作在雙極型導通模式，因此η 的增加對VF影響較小。而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)正向?qū)〞r需要從單極型導通模式向雙極型導通模式切換，η 的變化極大地影響了模式切換時的電壓，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IGBT，與傳統(tǒng)的超結(jié)逆導IGBT 相比，新結(jié)構(gòu)消除了正向?qū)〞r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?關斷損耗及正向?qū)▔航?反向?qū)▔航档恼壑嘘P系。