一種低反向恢復(fù)電流的無電壓回跳RC-IGBT 設(shè)計?

曾 偉，武 華，馮秀平，陳翰民，姚 佳，楊煌虹

(贛南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，江西 贛州 341000)

絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)具有高輸入阻抗和低導(dǎo)通壓降的特性，目前已成為高壓、高功率開關(guān)器件領(lǐng)域的主流器件[1－3]。在大多數(shù)的應(yīng)用場合，由于傳統(tǒng)IGBT 器件自身沒有反向?qū)芰?，需要與續(xù)流二極管(Freewheeling Diode，F(xiàn)WD)反并聯(lián)使用，以獲得逆向?qū)ㄐ阅埽@不僅顯著增加制造與封裝成本，而且對FWD 的要求也很高，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)先后提出并實現(xiàn)了將IGBT 與FWD 集成在同一塊硅片上的新型IGBT 器件結(jié)構(gòu)[4－6]。于是誕生了在IGBT 集電區(qū)引入N＋短路區(qū)的RC-IGBT，但在RC-IGBT 集電區(qū)引入短路的N＋集電區(qū)后，陽極短路結(jié)構(gòu)使器件在初始導(dǎo)通時，會出現(xiàn)電壓回跳現(xiàn)象[7]。為解決該問題，許多學(xué)者提出了各種解決方案，通常有以下兩種方法:一種是增大器件集電區(qū)短路電阻，降低器件漂移區(qū)電阻，例如具有三明治集電極結(jié)構(gòu)的半超結(jié)RC-IGBT(SSS-RC-IGBT)[8]，新型自控雙溝柵極RCIGBT(DTG-RC-IGBT)[9]，具有多P＋/N 集電極的IGBT(SA-IGBT)[10]等；第二種是引入新結(jié)構(gòu)，改變逆向?qū)Ｊ交虮ＷC器件導(dǎo)通時的空穴注入方法，例如具有多提取通道的RC-IGBT(MEC-RC-IGBT)[11]，具有N-Si/N-Ge 異質(zhì)結(jié)的RC-IGBT(NNHRC-IGBT)[12]，氧化槽隔離型RC-IGBT(TO-RC-IGBT)[13]，使器件快速地度過工作模式轉(zhuǎn)換。但無論是通過改變器件電阻解決回跳現(xiàn)象的器件，還是通過改變逆向?qū)Ｊ降钠骷?，器件結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，對工藝要求較高，并且對器件某些特性，會有一定不利影響，比如反向恢復(fù)特性，阻斷特性等。

本文提出了一種無回跳的RC-IGBT 器件結(jié)構(gòu)，器件僅在集電極側(cè)場截止層下方加入一個N 型層作為高阻層，同時把N＋集電區(qū)部分替換為P 型薄層，通過加入的N 型層增加集電極電阻，同時用P型薄層替換了部分N＋集電區(qū)，保證在初始導(dǎo)通時集電區(qū)的空穴能夠在第一時間注入，改變了傳統(tǒng)器件在導(dǎo)通初始階段是電子電流為主，隨后空穴電流增大的情況，從而消除了RC-IGBT 的電壓回跳現(xiàn)象，同時具有低反向恢復(fù)電流。

1 器件結(jié)構(gòu)與機(jī)理

傳統(tǒng)RC-IGBT 為了得到反向?qū)ㄐ阅?，在集電區(qū)引入N＋集電區(qū)，造成RC-IGBT 器件在導(dǎo)通時存在電壓回跳現(xiàn)象，即RC-IGBT 器件在導(dǎo)通時，一開始工作在雙極模式，在器件導(dǎo)通時需要從雙極模式轉(zhuǎn)換為單極模式，這時集電極電阻會急劇降低，從而導(dǎo)致出現(xiàn)電壓驟回現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在低溫下會更加明顯，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致器件完全不能進(jìn)入IGBT工作模式，使正向壓降變得特別大。

基于優(yōu)化RC-IGBT 的電壓回跳現(xiàn)象，設(shè)計并仿真了所提出的器件，傳統(tǒng)的FS RC-IGBT 和本設(shè)計的P 型薄層替換部分N＋陽極的無回跳RC-IGBT 剖面圖如圖1 所示，兩種器件正面均采用平面柵極結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)FS RC-IGBT 背面集電區(qū)上方采用N 緩沖層作為場截止層(Field Stop，F(xiàn)S)。所設(shè)計的P 型薄層替換部分N＋集電區(qū)的無回跳RC-IGBT，正面結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)FS RC-IGBT 結(jié)構(gòu)一樣，但是器件背面集電區(qū)與場截止層之間加入了一層N 型高阻層(N-buffer)，同時將N＋集電區(qū)的一部分用P 型薄層(P-layer)替換。本設(shè)計器件厚度為120 μm，器件集電極側(cè)的N＋集電區(qū)與P＋集電區(qū)的長度比為1 ∶4，器件漂移區(qū)厚度為100 μm，摻雜濃度為8×1013cm－3，加入的N-buffer層厚度為5 μm，摻雜濃度為8×1013cm－3，用于替換的P 型薄層厚度為1.5 μm，摻雜濃度為6×1014cm－3。集電區(qū)厚度為5 μm，替換后剩余的N＋集電區(qū)厚度為3.5 μm，摻雜濃度為1×1019cm－3。

因為器件回跳電壓會受到器件集電極電阻的影響，在集電區(qū)與場截止層之間加入一層N 型高阻層，用于提高器件集電極電阻，緩解器件的電壓回跳。同時電壓回跳現(xiàn)象的產(chǎn)生也是由于N＋集電區(qū)加入后，器件的背面空穴注入受到了影響，因此本設(shè)計中用P型薄層替換一部分N＋集電區(qū)，保證一開始模式轉(zhuǎn)換時的背面空穴注入，同時由于薄層的厚度較N＋集電區(qū)薄，其摻雜濃度比集電區(qū)低得多，能保證器件的反向?qū)ㄐ阅?，不會使器件失去反向?qū)芰Α?/p>

2 設(shè)計結(jié)果與分析

圖2 所示是傳統(tǒng)FS RC-IGBT 與設(shè)計的無回跳RC-IGBT 的正、反向?qū)ㄌ匦缘姆抡娼Y(jié)果，傳統(tǒng)的FS RC-IGBT 在正向?qū)ㄟ^程中，會出現(xiàn)集電極電流增大，集電極－發(fā)射極電壓減小的電壓回跳現(xiàn)象，其回跳電壓為5.59 V。從圖2 看出，本設(shè)計的無回跳RC-IGBT 中，在P-layer 層厚度為1.5 μm，摻雜濃度為6×1014cm－3時，設(shè)計的器件消除了正向?qū)〞r的電壓回跳現(xiàn)象。原因是在集電區(qū)與場截止層中間加入了N-buffer 層，用于增加集電極電阻，同時把N＋集電區(qū)的一部分用輕摻雜P-layer 層代替，使得P＋集電區(qū)在初始導(dǎo)通時就可以向漂移區(qū)注入空穴，有效抑制了器件的電壓回跳現(xiàn)象。同時從圖2 可以看出器件在P-layer 層厚度為1.5 μm，摻雜濃度為6×1014cm－3時的反向?qū)ㄐ阅芤琅f穩(wěn)定。

圖3 所示是P-layer 層厚度為1.5 μm 時，P-layer層摻雜濃度對無回跳RC-IGBT 的正向?qū)ㄌ匦缘挠绊?，器件回跳現(xiàn)象隨著P-layer 層摻雜濃度的增加而減弱，當(dāng)摻雜濃度達(dá)到6×1014cm－3時，設(shè)計的無回跳RC-IGBT 的回跳現(xiàn)象已經(jīng)完全消除。器件在初始導(dǎo)通階段由發(fā)射極漂移到集電極側(cè)的電子電流由于P-layer 層的加入，在流入N 型集電區(qū)前在P-layer 層處產(chǎn)生壓降，可以使P 型集電區(qū)的空穴在初始階段就參與導(dǎo)通，避免了由于初期僅有電子電流，而后空穴電流才出現(xiàn)，使得漂移區(qū)電阻驟減引起電壓回跳現(xiàn)象。

圖4 所示為器件P-layer 層摻雜濃度及厚度對無回跳RC-IGBT 的反向?qū)ㄌ匦缘挠绊?。由于N＋集電區(qū)的一部分用輕摻雜的P-layer 層代替，P-layer層的加入會使器件的反向?qū)ㄐ阅苡兴鶞p弱，要對P-layer 層的厚度以及摻雜濃度進(jìn)行設(shè)計，當(dāng)P-layer層的厚度以及濃度足夠大時可以完全消除電壓回跳現(xiàn)象，但器件反向?qū)ㄐ阅軙泻艽笙魅?，甚至不能反向?qū)ǎ越Y(jié)合高阻N-buffer 層使集電極電阻增加的效果，在厚度為1.5 μm、摻雜濃度為6×1014cm－3時，完全消除了電壓回跳現(xiàn)象。

圖4 P-layer 層摻雜濃度及厚度對設(shè)計的無回跳RC-IGBT 反向?qū)ㄌ匦缘挠绊?/p>

圖5 所示為場截止層濃度為5×1017cm－3時，傳統(tǒng)FS RC-IGBT 與本設(shè)計無回跳RC-IGBT 的阻斷特性，結(jié)果表明所設(shè)計的無回跳RC-IGBT 阻斷特性與傳統(tǒng)器件幾乎一樣，其擊穿電壓為725 V，由于器件并沒有改變場截止層的結(jié)構(gòu)與摻雜，所以器件的場截止層依舊能截斷縱向電場，保證器件阻斷特性的穩(wěn)定。

圖5 傳統(tǒng)FS RC-IGBT 與所設(shè)計的無回跳RC-IGBT 的阻斷特性

圖6 所示為反向?qū)娏髅芏葹?0 A?cm－3時，傳統(tǒng)FS RC-IGBT 與設(shè)計的無回跳RC-IGBT 的反向恢復(fù)特性曲線。兩種器件的反向恢復(fù)時間均為2 326 ns，但本設(shè)計的器件由于P-layer 層的加入，使基區(qū)平衡空穴密度有所提升，會減小產(chǎn)生的反向電流，所以反向恢復(fù)的峰值電流密度為30 A/cm3，比傳統(tǒng)FS RC-IGBT 反向恢復(fù)的峰值電流密度45 A/cm3小很多，所設(shè)計的無回跳RC-IGBT 在反向恢復(fù)過程中損耗會更低。

圖6 傳統(tǒng)FS RC-IGBT 與所設(shè)計的無回跳RC-IGBT 的反向恢復(fù)特性

圖7 所示為傳統(tǒng)FS RC-IGBT 與設(shè)計的無回跳RC-IGBT 關(guān)斷特性曲線，本設(shè)計的無回跳RC-IGBT關(guān)斷時間(從90%Jce下降到10%Jce的時間)為934 ns，比傳統(tǒng)FS RC-IGBT 關(guān)斷時間1 037 ns 減小了103 ns。因為加入的P-layer 層在器件關(guān)斷時，與N-buffer 層、N＋集電區(qū)組成的三極管結(jié)構(gòu)會導(dǎo)通，使器件漂移區(qū)中的載流子被抽取得更快，在一定程度上使器件的關(guān)斷能力有所提高，同時由圖7 可知，所設(shè)計的器件對關(guān)斷損耗的優(yōu)化較小，器件的關(guān)斷損耗與傳統(tǒng)FS RC-IGBT 器件差別不大。

圖7 傳統(tǒng)FS RC-IGBT 與所設(shè)計的無回跳RC-IGBT 的關(guān)斷特性

表1 為傳統(tǒng)FS RC-IGBT 與所設(shè)計的無回跳RC-IGBT 一些主要性能參數(shù)對比，可以看出所設(shè)計的無回跳RC-IGBT 消除了回跳現(xiàn)象，同時在反向恢復(fù)電流峰值和關(guān)斷時間上比傳統(tǒng)的器件有更優(yōu)秀的特性。

表1 傳統(tǒng)FS RC-IGBT 與所設(shè)計的無回跳RC-IGBT性能參數(shù)對比

3 結(jié)論

基于Sentaurus TCAD 提出了一種無回跳的RCIGBT 器件結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了仿真驗證，該RC-IGBT 在器件寬度為24 μm，N-layer 區(qū)厚度為1.5 μm，濃度為6×1014cm－3時，器件的回跳現(xiàn)象已經(jīng)消除，加入的N-buffer 層增加了集電極電阻，同時P 型薄層保證在初始導(dǎo)通時集電區(qū)的空穴能夠在第一時間注入，改變了傳統(tǒng)器件在導(dǎo)通初始階段是電子電流為主，隨后空穴電流增大的情況。在不影響器件反向?qū)ㄐ阅艿耐瑫r，消除了電壓回跳現(xiàn)象，并且使器件的反向恢復(fù)電流峰值降低了15 A/cm3，同時器件的關(guān)斷特性也有所改善，關(guān)斷時間減小了103 ns，相較于傳統(tǒng)FS RC-IGBT，反向恢復(fù)峰值電流降低了33.3%，關(guān)斷時間減小了9.93%。