550V無電壓折回逆導型橫向絕緣柵雙極晶體管器件設計

摘要：仿真結果顯示：在幾乎相同的耐壓和反向導通能力下，由于更小的器件尺寸，本文提出的器件獲得了更高的電流密度；本文器件的導通壓降與關斷損耗分別相比于傳統(tǒng)器件降低14.4%和62.2%，實現(xiàn)了更好的導通壓降與關斷損耗的折中。

0   引言

由于兼具雙極晶體管的低導通壓降以及場效應晶體管具有的高輸入電阻、高速開關等優(yōu)點，IGBT已經(jīng)成為了高頻功率開關器件領域中的主流器件，并且被廣泛應用于交通、智能電網(wǎng)等諸多領域^[1-3]。傳統(tǒng)的IGBT器件在反向狀態(tài)下無法導通，一般需要并聯(lián)1個快恢復二極管（FRD）用以續(xù)流保護，然而這會增加額外的封裝成本和面積。逆導型絕緣柵雙極晶體管（RC-IGBT）[4]通過將IGBT器件和FRD集成在同一元胞上，解決了兩者的封裝問題，具有小器件尺寸、高電流密度、低封裝成本等優(yōu)點。

最初的RC-IGBT器件為縱向器件，然而隨著絕緣體上硅（SOI）技術的出現(xiàn)與發(fā)展，RC-LIGBT開始成為功率器件領域內(nèi)的一大研究熱點。陽極短路LIGBT（Shorted Anode LIGBT, SA-LIGBT）[5]即為最傳統(tǒng)的RC-LIGBT器件，通過1個與陽極P區(qū)短接的N+區(qū)實現(xiàn)了其反向導通的能力，然而器件也因此在正向導通態(tài)下會發(fā)生電壓折回現(xiàn)象，器件的正向導通壓降會增加，并且可靠性也會受到影響。因此，如何解決電壓折回現(xiàn)象帶來的不利影響，是RC-LIGBT器件需要解決的核心問題之一。

為了解決以上問題，國內(nèi)外學者也提出了諸如分離式陽極短路LIGBT（Separated SA-LIGBT, SSALIGBT）^[6]、陽極隔離槽柵LIGBT（Segmented Trenches in the Anode LIGBT, STA-LIGBT）^[7]等器件結構，這些器件能夠在一定程度上降低電壓折回現(xiàn)象的影響，但不能完全消除電壓折回現(xiàn)象，還會導致更大的器件尺寸、更差的正向導通壓降Von與關斷損耗Eoff間折中關系等問題。

本文提出了一種基于SOI技術的耐壓550 V的新型RC-LIGBT，該器件通過將FRD集成在位于埋氧層下的襯底上，利用埋氧層優(yōu)良的絕緣和隔離特性，在集成的同時實現(xiàn)了對FRD與RC-LIGBT器件的電學隔離，完全消除了電壓折回現(xiàn)象，并且兼具更小的器件尺寸以及更好的V_on-E_off折中關系等優(yōu)點。

1   器件結構和工作原理

圖1(a)為傳統(tǒng)SSA-LIGBT器件的二維結構示意圖，LB為陽極P+區(qū)與N+區(qū)之間的間距，當陽極施加較小的正向電壓時，陽極P+/N-Buffer形成的PN結未導通，來自陰極的電子經(jīng)過P-Base內(nèi)部溝道區(qū)，N-Drift漂移區(qū)，N-Buffer區(qū)以及LB所示區(qū)域，最終被N+陽極區(qū)收集^[8]，此時器件將工作在MOS模式下，電流密度較?。划斦螂妷翰粩嘣龃笾罰+/N-Buffer結導通時，大量空穴注入至N-Drift漂移區(qū)，與此同時大量電子被P+陽極區(qū)收集，漂移區(qū)內(nèi)發(fā)生電導調(diào)制效應，器件工作模式便由MOS模式轉變至普通IGBT模式，電流密度顯著增大，正向壓降減小，此時便會發(fā)生電壓折回（snapback）現(xiàn)象。通過增大LB可以增大P+陽極與N+陽極之間的電阻RB，使電子更難被N+陽極區(qū)收集，器件將更快從MOS模式過渡到IGBT模式，從而減小電壓折回現(xiàn)象的影響，但是這會顯著增大器件的尺寸。

圖1(b)為本文提出RC-LIGBT器件的二維結構示意圖，埋氧層上的SOI層為普通的LIGBT，通過在埋氧層下P型襯底內(nèi)引入一個N+區(qū)，N+區(qū)接陽極，襯底接陰極，兩者形成的FRD便與SOI層的LIGBT集成在了1個元胞上。在正向狀態(tài)下，陽極施加正向電壓，埋氧層下的FRD處于關斷狀態(tài)，同時由于埋氧層優(yōu)良的隔離特性，襯底的N+區(qū)與SOI層以及P+陽極區(qū)實現(xiàn)了電學隔離，N+區(qū)將無法收集電子，器件將一直工作在普通IGBT模式下，從而能實現(xiàn)完全消除電壓折回現(xiàn)象；在反向狀態(tài)下，SOI層的LIGBT處于關斷狀態(tài)，而此時襯底下的FRD將處于正偏狀態(tài)而導通，從而實現(xiàn)器件的反向導通特性。除此之外，SOI層表面使用場板來增加LIGBT的耐壓，F(xiàn)RD冶金結面設計為柱面結，并且N+區(qū)注入結深足夠深（7.5 mm）來提高FRD的耐壓[9]。相關器件關鍵參數(shù)如表1所示。

2   仿真結果

傳統(tǒng)SSA-LIGBT器件與本文提出RC-LIGBT器件的仿真均基于Synopsys公司的Sentaurus TCAD tools工具下進行。圖2為傳統(tǒng)SSA-LIGBT器件與文章提出RCLIGBT器件的擊穿特性曲線，如圖所示，傳統(tǒng)器件的擊穿電壓為560 V，文章提出器件的擊穿電壓為567 V，兩者耐壓處于同一水平。

(a)傳統(tǒng)SSA-LIGBT

(b)本文提出RC-LIGBT器件

圖2 擊穿特性曲線

圖3為本文提出RC-LIGBT器件與傳統(tǒng)SSA-LIGBT器件在柵壓為10 V下的正反向輸出特性曲線對比圖，其中圖3(a)為本文器件與不同LB長度的傳統(tǒng)SSALIGBT（15 mm, 30 mm, 45 mm）的正向電流-電壓輸出特性曲線對比圖。如圖所示，對于傳統(tǒng)的SSA-LIGBT器件，隨著L_B長度的增加，折回電壓V_S（電壓折回現(xiàn)象發(fā)生時的陽極電壓）減小，根據(jù)前一小節(jié)的分析，在正向狀態(tài)下，當器件工作于MOS模式，LB長度的增加使電子電流路徑上的電阻增加，器件工作模式能夠在更低的陽極電壓下轉換為IGBT模式，從而減小了電壓折回現(xiàn)象的影響。然而從仿真結果可知，即使在LB長度高達45 mm時，電壓折回現(xiàn)象依然存在，并且當器件工作于IGBT模式時，過大的器件尺寸也會使器件的電流密度降低。相比于傳統(tǒng)SSA-LIGBT，根據(jù)上一小節(jié)分析以及仿真結果所示，本文提出RC-LIGBT器件通過埋氧層對SOI層和FRD的電學隔離，完全消除了電壓折回現(xiàn)象，同時由于沒有額外的LB，本文提出器件的尺寸低于傳統(tǒng)器件，因而獲得了更高的電流密度。

由圖3(a)可知，在L_B長度從15 mm增加至30 mm時，折回電壓VS明顯減小；然而在L_B長度從30 mm增加至45mm時卻沒有明顯的改善，因此在后面的仿真中均采用L_B = 30 mm的SSA-LIGBT器件。圖3(b)為本文器件與傳統(tǒng)SSA-LIGBT（L_B = 30 mm）的反向電流-電壓輸出特性曲線，由圖可知本文提出RC-LIGBT器件在反向狀態(tài)下通過集成在襯底的FRD實現(xiàn)了其反向導通特性。

圖4 為本文提出RC-LIGBT器件與傳統(tǒng)SSALIGBT，以及文獻[10]與文獻^[11]中的RC-LIGBT器件，在正向導通電流密度JA = 100 A/cm2條件下的正向導通壓降V_on與關斷損耗E_off 折中曲線，由圖可知，相比于傳統(tǒng)SSA-LIGBT（3.99 mJ/cm2），在V_on=1.95 V的條件下，本文器件的E_off（1.51 mJ/cm²）降低了62.2%；在Eoff = 3.99 mJ/cm²條件下，本文器件的V_on（1.67 V）降低了14.4%，可見，獲得了比傳統(tǒng)器件更好的Von-Eoff折中關系。除此之外，由圖中曲線可看出，本文器件的V_on-E_off折中特性也優(yōu)于文獻^[10]和文獻^[11]中提出的LIGBT器件。

圖4 本文提出器件與不同RC-LIGBT的V_on-E_off折中關系對比

3   結論

本文提出了一種基于SOI的耐壓為550 V的無電壓折回RC-LIGBT器件。通過在埋氧層下P型襯底注入N+陽極區(qū)，在實現(xiàn)LIGBT器件與FRD集成在1個元胞的同時，利用埋氧層的優(yōu)良隔離特性，使N+陽極區(qū)與P+陽極實現(xiàn)了電學隔離，從而完全消除了電壓折回現(xiàn)象的影響。并且由于沒有傳統(tǒng)SSA-LIGBT中額外LB的器件長度，本文提出器件的電流密度高于傳統(tǒng)SSA-LIGBT器件。仿真結果表明：相比于傳統(tǒng)SSA-LIGBT器件，本文提出RC-LIGBT器件實現(xiàn)了更好的Von-Eoff折中關系。此外，由于襯底電極與陰極短接，本文提出器件可應用于諸如零電壓開關（ZVS）和零電流開關（ZCS）Boost變換器電路等領域中^[12]。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年9月期）