一種低反向恢復電流的無電壓回跳RC-IGBT 設計?

曾 偉，武 華，馮秀平，陳翰民，姚 佳，楊煌虹

(贛南師范大學物理與電子信息學院，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通壓降的特性，目前已成為高壓、高功率開關器件領域的主流器件[1－3]。在大多數的應用場合，由于傳統IGBT 器件自身沒有反向導通能力，需要與續流二極管(Freewheeling Diode，FWD)反并聯使用，以獲得逆向導通性能，但這不僅顯著增加制造與封裝成本，而且對FWD 的要求也很高，相關研究機構先后提出并實現了將IGBT 與FWD 集成在同一塊硅片上的新型IGBT 器件結構[4－6]。于是誕生了在IGBT 集電區引入N＋短路區的RC-IGBT，但在RC-IGBT 集電區引入短路的N＋集電區后，陽極短路結構使器件在初始導通時，會出現電壓回跳現象[7]。為解決該問題，許多學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短路電阻，降低器件漂移區電阻，例如具有三明治集電極結構的半超結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；第二種是引入新結構，改變逆向導通模式或保證器件導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 異質結的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換。但無論是通過改變器件電阻解決回跳現象的器件，還是通過改變逆向導通模式的器件，器件結構都比較復雜，對工藝要求較高，并且對器件某些特性，會有一定不利影響，比如反向恢復特性，阻斷特性等。

本文提出了一種無回跳的RC-IGBT 器件結構，器件僅在集電極側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，保證在初始導通時集電區的空穴能夠在第一時間注入，改變了傳統器件在導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 的電壓回跳現象，同時具有低反向恢復電流。

1 器件結構與機理

傳統RC-IGBT 為了得到反向導通性能，在集電區引入N＋集電區，造成RC-IGBT 器件在導通時存在電壓回跳現象，即RC-IGBT 器件在導通時，一開始工作在雙極模式，在器件導通時需要從雙極模式轉換為單極模式，這時集電極電阻會急劇降低，從而導致出現電壓驟回現象，這種現象在低溫下會更加明顯，嚴重時甚至會導致器件完全不能進入IGBT工作模式，使正向壓降變得特別大。

基于優化RC-IGBT 的電壓回跳現象，設計并仿真了所提出的器件，傳統的FS RC-IGBT 和本設計的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構，傳統FS RC-IGBT 背面集電區上方采用N 緩沖層作為場截止層(Field Stop，FS)。所設計的P 型薄層替換部分N＋集電區的無回跳RC-IGBT，正面結構與傳統FS RC-IGBT 結構一樣，但是器件背面集電區與場截止層之間加入了一層N 型高阻層(N-buffer)，同時將N＋集電區的一部分用P 型薄層(P-layer)替換。本設計器件厚度為120 μm，器件集電極側的N＋集電區與P＋集電區的長度比為1 ∶4，器件漂移區厚度為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。集電區厚度為5 μm，替換后剩余的N＋集電區厚度為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。同時電壓回跳現象的產生也是由于N＋集電區加入后，器件的背面空穴注入受到了影響，因此本設計中用P型薄層替換一部分N＋集電區，保證一開始模式轉換時的背面空穴注入，同時由于薄層的厚度較N＋集電區薄，其摻雜濃度比集電區低得多，能保證器件的反向導通性能，不會使器件失去反向導通能力。

2 設計結果與分析

圖2 所示是傳統FS RC-IGBT 與設計的無回跳RC-IGBT 的正、反向導通特性的仿真結果，傳統的FS RC-IGBT 在正向導通過程中，會出現集電極電流增大，集電極－發射極電壓減小的電壓回跳現象，其回跳電壓為5.59 V。從圖2 看出，本設計的無回跳RC-IGBT 中，在P-layer 層厚度為1.5 μm，摻雜濃度為6×1014cm－3時，設計的器件消除了正向導通時的電壓回跳現象。原因是在集電區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＋集電區的一部分用輕摻雜P-layer 層代替，使得P＋集電區在初始導通時就可以向漂移區注入空穴，有效抑制了器件的電壓回跳現象。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時的反向導通性能依舊穩定。

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 的正向導通特性的影響，器件回跳現象隨著P-layer 層摻雜濃度的增加而減弱，當摻雜濃度達到6×1014cm－3時，設計的無回跳RC-IGBT 的回跳現象已經完全消除。器件在初始導通階段由發射極漂移到集電極側的電子電流由于P-layer 層的加入，在流入N 型集電區前在P-layer 層處產生壓降，可以使P 型集電區的空穴在初始階段就參與導通，避免了由于初期僅有電子電流，而后空穴電流才出現，使得漂移區電阻驟減引起電壓回跳現象。

圖4 所示為器件P-layer 層摻雜濃度及厚度對無回跳RC-IGBT 的反向導通特性的影響。由于N＋集電區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導通性能有所減弱，要對P-layer 層的厚度以及摻雜濃度進行設計，當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象，但器件反向導通性能會有很大削弱，甚至不能反向導通，所以結合高阻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象。

圖4 P-layer 層摻雜濃度及厚度對設計的無回跳RC-IGBT 反向導通特性的影響

圖5 所示為場截止層濃度為5×1017cm－3時，傳統FS RC-IGBT 與本設計無回跳RC-IGBT 的阻斷特性，結果表明所設計的無回跳RC-IGBT 阻斷特性與傳統器件幾乎一樣，其擊穿電壓為725 V，由于器件并沒有改變場截止層的結構與摻雜，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定。

圖5 傳統FS RC-IGBT 與所設計的無回跳RC-IGBT 的阻斷特性

圖6 所示為反向導通電流密度為50 A?cm－3時，傳統FS RC-IGBT 與設計的無回跳RC-IGBT 的反向恢復特性曲線。兩種器件的反向恢復時間均為2 326 ns，但本設計的器件由于P-layer 層的加入，使基區平衡空穴密度有所提升，會減小產生的反向電流，所以反向恢復的峰值電流密度為30 A/cm3，比傳統FS RC-IGBT 反向恢復的峰值電流密度45 A/cm3小很多，所設計的無回跳RC-IGBT 在反向恢復過程中損耗會更低。

圖6 傳統FS RC-IGBT 與所設計的無回跳RC-IGBT 的反向恢復特性

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

圖7 傳統FS RC-IGBT 與所設計的無回跳RC-IGBT 的關斷特性

表1 為傳統FS RC-IGBT 與所設計的無回跳RC-IGBT 一些主要性能參數對比，可以看出所設計的無回跳RC-IGBT 消除了回跳現象，同時在反向恢復電流峰值和關斷時間上比傳統的器件有更優秀的特性。

表1 傳統FS RC-IGBT 與所設計的無回跳RC-IGBT性能參數對比

3 結論

基于Sentaurus TCAD 提出了一種無回跳的RCIGBT 器件結構并進行了仿真驗證，該RC-IGBT 在器件寬度為24 μm，N-layer 區厚度為1.5 μm，濃度為6×1014cm－3時，器件的回跳現象已經消除，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通時集電區的空穴能夠在第一時間注入，改變了傳統器件在導通初始階段是電子電流為主，隨后空穴電流增大的情況。在不影響器件反向導通性能的同時，消除了電壓回跳現象，并且使器件的反向恢復電流峰值降低了15 A/cm3，同時器件的關斷特性也有所改善，關斷時間減小了103 ns，相較于傳統FS RC-IGBT，反向恢復峰值電流降低了33.3%，關斷時間減小了9.93%。