具有高K背柵的無(wú)電壓回跳RC?IGBT靜態(tài)特性研究

摘" 要： 針對(duì)傳統(tǒng)RC?IGBT導(dǎo)通壓降大、擊穿電壓低等問(wèn)題，提出一種具有高介電常數(shù)（高K）背柵的RC?IGBT器件結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是位于底部集電極的背柵介質(zhì)采用高介電常數(shù)材料。高K介質(zhì)增大了正向?qū)〞r(shí)背柵周圍的空穴濃度，不僅消除了電壓回跳，還降低了導(dǎo)通壓降。仿真結(jié)果表明：在高正向?qū)娏髅芏认拢↖CE=925 A/cm2），高K背柵RC?IGBT的導(dǎo)通壓降為1.71 V，相比傳統(tǒng)RC?IGBT降低了19.34%，相比氧化層背柵RC?IGBT降低了13.20%；另一方面，在阻斷狀態(tài)下，高K介質(zhì)增強(qiáng)了背柵周圍的電子積累，增大了擊穿電壓。高K背柵RC?IGBT的擊穿電壓為1 312 V，相較于氧化層背柵RC?IGBT提高了44.18%。此外，高K背柵RC?IGBT的反向?qū)▔航迪啾葌鹘y(tǒng)RC?IGBT降低了43.43%，相比氧化層背柵RC?IGBT降低了13.85%。將所提出的高K背柵的RC?IGBT應(yīng)用于高壓、大功率的電子電力系統(tǒng)，可提高系統(tǒng)的可靠性并降低損耗。

關(guān)鍵詞： RC?IGBT； 電壓回跳； 高介電常數(shù)； 背柵； 導(dǎo)通壓降； 阻斷特性

中圖分類號(hào)： TN322.8?34" " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號(hào)： 1004?373X（2025）04?0034?06

Research on static characteristics of snapback?free RC?IGBT with high K back gate

WANG Nan， XU Yonggen， HU Xiarong

（School of Science， Xihua University， Chengdu 610039， China）

Abstract： In allusion to the problem of high on?state voltage drop （Von） and the low breakdown voltage， a high permittivity （high K） back gate reverse conducting insulated gate bipolar transistor （HK?BG?RC?IGBT） device structure is proposed. Its characteristic is that the back gate dielectric located at the bottom collector is filled with HK. The HK dielectric increases the hole concentration around the back gate during the forward conduction， which not only eliminates the snapback?free， but also reduces Von. The simulation results show that， at high forward conduction current density （ICE=925 A/cm2）， the Von of HK?BG?RC?IGBT is 1.71 V， which is 19.34% lower than that of the conventional RC?IGBT （C?RC?IGBT） and 13.20% lower than that of OXIde back gate RC?IGBT （OXI?BG?RC?IGBT）. The HK dielectric enhances the electron accumulation around the BG in the blocking state， resulting in an increased breakdown voltage. The simulation results show that the breakdown voltage of the HK?BG?RC?IGBT is 1 312 V， which is increased by 44.18% compared with OXI?BG?RC?IGBT. In addition， the reverse Von of the HK?BG?RC?IGBT is reduced respectively by 13.85% and 43.43% compared with OXI?BG?RC?IGBT and C?RC?IGBT. Applying the proposed HK?BG?RC?IGBT to high?voltage and high?power electronic power systems can enhance the system reliability and reduce the loss.

Keywords：" RC?IGBT; snapback?free; high permittivity （high K）; back gate; on?state voltage drop; blocking state

0" 引" 言

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）因兼有場(chǎng)效應(yīng)晶體管易驅(qū)動(dòng)和雙極型三極管導(dǎo)通壓降低、電流密度大的優(yōu)點(diǎn)， 被廣泛應(yīng)用于高壓功率器件[1?3]。從誕生以來(lái)，IGBT經(jīng)歷了穿通型、非穿通型和場(chǎng)截止型的發(fā)展歷程，這三種結(jié)構(gòu)都是針對(duì)導(dǎo)通特性和關(guān)斷特性提出的。但由于IGBT是由MOSFET和BJT組合而成，在器件內(nèi)部未并聯(lián)續(xù)流二極管，因此沒(méi)有反向?qū)芰4?5]。

為了使IGBT具有反向?qū)芰Γ?jié)省芯片面積并降低成本和功耗，器件研究者將IGBT與續(xù)流二極管反向并聯(lián)集成在一起，稱為逆導(dǎo)型IGBT（Reverse Conducting IGBT， RC?IGBT）[6?8]。RC?IGBT將IGBT集電極部分區(qū)域替換為N+短路區(qū)，雖然實(shí)現(xiàn)了逆向?qū)ǎ档土思纳娮瑁谡驅(qū)〞r(shí)，器件由單極型導(dǎo)通切換到雙極型導(dǎo)通模式，造成了電壓回跳[9?11]，不僅增大了器件的導(dǎo)通損耗，也不利于串并聯(lián)應(yīng)用。因此，抑制電壓回跳在RC?IGBT中尤為重要[12]。

近年來(lái)，器件研究者提出了許多新的結(jié)構(gòu)，包括浮動(dòng)P層RC?IGBT、交替N+/P緩沖區(qū)RC?IGBT、SJ RC?IGBT以及背柵RC?IGBT等[13?15]。其中，背柵RC?IGBT通過(guò)底部集電極處MIS（金屬?絕緣體?半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了電子濃度和空穴濃度，不僅消除了電壓回跳，也更好地優(yōu)化了器件的導(dǎo)通和阻斷特性，因此受到了廣泛關(guān)注[16?19]。高介電常數(shù)材料因其可增強(qiáng)漂移區(qū)的輔助耗盡并降低介質(zhì)層最大電場(chǎng)，在硅基和碳化硅基功率器件中得到了廣泛應(yīng)用[20?22]。

本文提出一種具有高介電常數(shù)（高K）背柵的RC?IGBT結(jié)構(gòu)，首次將高K介質(zhì)應(yīng)用在功率器件的背柵，進(jìn)一步增強(qiáng)了正向?qū)〞r(shí)集電極處的空穴積累和阻斷時(shí)的電子濃度，相對(duì)于氧化層介質(zhì)，降低了導(dǎo)通壓降，提升了擊穿電壓。本文重點(diǎn)研究了高K介質(zhì)背柵的介電常數(shù)、背柵高度以及背柵電壓對(duì)RC?IGBT的正向?qū)ā⒄蜃钄嘁约胺聪驅(qū)ㄌ匦缘挠绊懀捎肧ilvaco仿真軟件對(duì)器件特性進(jìn)行了分析和討論，所得結(jié)論對(duì)器件研究具有一定的參考意義。

1" 結(jié)構(gòu)和原理

圖1是本文所提出的具有高K背柵的RC?IGBT結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)有兩個(gè)柵極，頂部柵極用來(lái)控制器件的導(dǎo)通和關(guān)斷；底部柵極（背柵）設(shè)置在集電極附近，并施加一個(gè)與集電極不同的偏置電壓（二者電壓差為VBC），通過(guò)改變VBC的大小來(lái)控制載流子在背柵周圍的積累。由于底部柵介質(zhì)采用高介電常數(shù)材料，增強(qiáng)了空穴和電子在背柵周圍的積累效應(yīng)，從而消除了電壓回跳并優(yōu)化了器件的導(dǎo)通與阻斷特性。

圖2給出了正向?qū)〞r(shí)，傳統(tǒng)RC?IGBT（C?RC?IGBT）、氧化層背柵RC?IGBT（OXI?BG?RC?IGBT）以及高K背柵RC?IGBT（HK?BG?RC?IGBT）的空穴濃度分布圖，其中k表示背柵介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。當(dāng)VBClt;0時(shí)，背柵周圍形成高密度的空穴反型層，構(gòu)成電子勢(shì)壘，提高了集電極電阻，消除了電壓回跳[20]。此外，由于高K介質(zhì)增強(qiáng)了背柵周圍空穴的積累效應(yīng)，使得HK?BG?RC?IGBT的空穴濃度大于OXI?BG?RC?IGBT，這不僅進(jìn)一步消除了電壓回跳，也增大了正向?qū)娏鳌?/p>

圖3給出了正向阻斷時(shí)，C?RC?IGBT、OXI?BG?RC?IGBT以及HK?BG?RC?IGBT的電子濃度分布圖。當(dāng)VBCgt;0時(shí)，背柵周圍形成電子積累層，終止了阻斷時(shí)耗盡層的繼續(xù)擴(kuò)展，此處形成的電場(chǎng)尖峰提高了耗盡層的平均電場(chǎng)，增大了擊穿電壓。

通過(guò)圖3的二維濃度分布發(fā)現(xiàn)，由于高K介質(zhì)增強(qiáng)了背柵周圍電子的積累，使得HK?BG?RC?IGBT的電子濃度大于OXI?BG?RC?IGBT，從而在等效緩沖層邊界處具備更大的電場(chǎng)尖峰，提高了器件的阻斷電壓。

圖4給出了反向?qū)〞r(shí)，C?RC?IGBT、OXI?BG?RC?IGBT以及HK?BG?RC?IGBT的電子濃度分布圖。反向?qū)〞r(shí)，VECgt;0，VG=0，此時(shí)VBCgt;0，背柵周圍積累大量電子，降低了PIN二極管的勢(shì)壘高度，提高了反向?qū)〞r(shí)載流子的注入效率，從而提高了反向?qū)娏鳌Ｍㄟ^(guò)圖4的二維濃度分布發(fā)現(xiàn)，由于高K介質(zhì)增強(qiáng)了背柵周圍電子的積累效應(yīng)，使得HK?BG?RC?IGBT的電子濃度大于OXI?BG?RC?IGBT，進(jìn)一步降低了反向?qū)▔航担苍龃罅朔聪驅(qū)娏鳌?/p>

2" 結(jié)果與討論

本文為了研究背柵對(duì)RC?IGBT的正向?qū)ā⒄蜃钄嘁约胺聪驅(qū)ㄌ匦缘挠绊懀o出了RC?IGBT器件的關(guān)鍵仿真參數(shù)，如表1所示。

2.1" 正向?qū)ㄌ匦?/p>

圖5給出了C?RC?IGBT、OXI?BG?RC?IGBT以及HK?BG?RC?IGBT的正向?qū)ㄌ匦詫?duì)比圖。由于C?RC?IGBT開(kāi)始在MOS工作模式，在向IGBT工作模式的轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電壓回跳現(xiàn)象，從圖中可以看出回跳電壓ΔVSB≈0.73 V。

對(duì)于HK?BG?RC?IGBT，正向?qū)〞r(shí)，背柵周圍形成空穴反型層，構(gòu)成電子勢(shì)壘，提高了集電極電阻，消除了電壓回跳。此外，高K介質(zhì)增強(qiáng)了空穴在背柵周圍的積累，從而增大了漂移區(qū)中的載流子濃度，使得正向?qū)娏魈岣撸瑢?dǎo)通壓降降低。從圖5可看出，在電流密度為925 A/cm2時(shí)，HK?BG?RC?IGBT的正向?qū)▔航禐?.71 V，相對(duì)于傳統(tǒng)RC?IGBT降低了19.34%，而相對(duì)于OXI?BG?RC?IGBT降低了13.20%。

2.2" 正向阻斷特性

圖6a）給出了OXI?BG?RC?IGBT和HK?BG?RC?IGBT阻斷時(shí)的縱向電場(chǎng)分布圖。當(dāng)器件正向阻斷時(shí)，VBCgt;0，背柵周圍會(huì)形成一個(gè)電子積累層，如圖6a）所示，該積累層作為等效的N型緩沖層，在其邊界處產(chǎn)生了一個(gè)新的電場(chǎng)尖峰，提高了擊穿電壓。當(dāng)k從3.9增大到78時(shí)，在背柵邊緣（y=100 μm），電場(chǎng)從5.32 V/μm提高到9.9 V/μm。由于平均電場(chǎng)提高，擊穿電壓增大，由圖6b）可見(jiàn)，HK?BG?RC?IGBT（k=78）的擊穿電壓為1 312 V，相對(duì)于OXI?BG?RC?IGBT（k=3.9）的擊穿電壓（910 V）提高了402 V，即44.18%。雖然C?RC?IGBT通過(guò)增加N型緩沖層可以使擊穿電壓提高到1 333 V，但是由于正向?qū)ù嬖陔妷夯靥F(xiàn)象，限制了其應(yīng)用。

2.3" 反向?qū)ㄌ匦?/p>

圖7給出了C?RC?IGBT、OXI?BG?RC?IGBT和HK?BG?RC?IGBT的反向?qū)↖?V特性圖。從圖中可見(jiàn)，當(dāng)VBC=2 V時(shí)，電流密度為-756 A/cm2，HK?BG?RC?IGBT的反向?qū)▔航禐?.12 V，相對(duì)于OXI?BG?RC?IGBT降低了13.85%，相對(duì)于C?RC?IGBT降低了43.43%。這是因?yàn)楦逰介質(zhì)增強(qiáng)了背柵周圍的電子積累，從而提高了反向?qū)娏鳎档土朔聪驅(qū)▔航怠?/p>

圖8研究了背柵高度H對(duì)正向?qū)ê驼蜃钄嗵匦缘挠绊憽Ｔ谡驅(qū)〞r(shí)，隨著H增大，背柵周圍載流子濃度增大，提高了正向?qū)娏鳎档土苏驅(qū)▔航怠Ｖ档米⒁獾氖牵?dāng)Hlt;6 μm時(shí)，背柵周圍尚未形成足夠的空穴反型，故仍然存在電壓回跳現(xiàn)象。在正向阻斷時(shí)，擊穿電壓隨著H的增大而先增大后降低。當(dāng)H較小時(shí)，背柵周圍不能積累足夠的電子；當(dāng)H較大時(shí)，隨著H的增大，有效漂移區(qū)長(zhǎng)度減小，擊穿電壓緩慢降低。為了兼顧正向壓降和阻斷電壓，背柵高度取H=8 μm作為最優(yōu)值。

圖9給出了偏置電壓VBC對(duì)器件正向?qū)ê妥钄嗵匦缘挠绊憽１硸胖車目昭舛入S著[VBC]的增加而增大，正向電流增大，導(dǎo)通壓降降低。由圖9還可知：在正向阻斷時(shí)，較小的VBC不能在背柵周圍積累足夠的電子，沒(méi)有形成等效N型緩沖層，導(dǎo)致?lián)舸╇妷航档停划?dāng)VBC較大時(shí)，等效緩沖層形成，擊穿電壓受到VBC的影響較小。

3" 結(jié)" 論

本文提出了一種具有高介電常數(shù)背柵的RC?IGBT器件結(jié)構(gòu)，高K介質(zhì)增強(qiáng)了背柵周圍電子和空穴的積累，降低了器件的正向?qū)▔航担岣吡藫舸╇妷骸７抡娼Y(jié)果表明，高K背柵RC?IGBT的導(dǎo)通壓降相對(duì)于傳統(tǒng)RC?IGBT降低了19.34%，相對(duì)于氧化層背柵RC?IGBT降低了13.20%。高K背柵RC?IGBT的擊穿電壓相較于氧化層背柵RC?IGBT提高了44.18%。此外，高K背柵RC?IGBT的反向?qū)▔航迪鄬?duì)于傳統(tǒng)RC?IGBT降低了43.43%，相對(duì)于氧化層背柵RC?IGBT降低了13.85%。

注：本文通訊作者為胡夏融。

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作者簡(jiǎn)介：王" 楠（1999—），女，天津人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)楣杌疤蓟杌邏篗OSFET、IGBT功率器件設(shè)計(jì)。

徐勇根（1983—），男，四川成都人，博士研究生，教授，研究方向?yàn)榧す鈧鬏斉c激光雷達(dá)。

胡夏融（1984—），男，四川成都人，博士研究生，講師，研究方向?yàn)楣β拾雽?dǎo)體器件及集成電路設(shè)計(jì)。