楊 賀

(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局電學(xué)部,北京 102200)

絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)是由絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)和雙極型結(jié)型晶體管(Bipolar Junction Transistor,BJT)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件,兼有MOSFET 的高輸入阻抗和BJT 的低導(dǎo)通壓降,具有驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快、載流密度大、飽和壓降低、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。自1982 年被發(fā)明以來(lái),IGBT 作為高頻功率開(kāi)關(guān)器件,被廣泛應(yīng)用于家用電器、新能源汽車(chē)、開(kāi)關(guān)電源、牽引傳動(dòng)、光伏發(fā)電、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域[3-7]。目前,IGBT 已經(jīng)成為世界上高頻開(kāi)關(guān)的主流器件,被稱(chēng)作電力電子行業(yè)的“CPU”。經(jīng)過(guò)四十年的發(fā)展,IGBT 器件已經(jīng)歷過(guò)數(shù)代技術(shù)革命,各種新結(jié)構(gòu)和衍生器件層出迭見(jiàn)[8]。

逆導(dǎo)型IGBT(Reverse Conducting IGBT,以下簡(jiǎn)稱(chēng)RC-IGBT)是一種新型IGBT 器件,這一概念最早于1988 年提出[9],在2000 年后開(kāi)始有產(chǎn)品形成。它是將傳統(tǒng)的IGBT 與快速恢復(fù)二極管(Fast Recovery Diode,FRD)集成于一個(gè)芯片,不需要額外的反串聯(lián)電路,即可實(shí)現(xiàn)電流泄放[10]。相對(duì)傳統(tǒng)IGBT 器件,RC-IGBT 在制作成本和器件體積上具有明顯優(yōu)勢(shì),使得RC-IGBT 成為各大廠(chǎng)商研究的焦點(diǎn)。

2004 年日本三菱公司基于當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的Trench-FS-IGBT 工藝制造出了1200 V RC-IGBT,研究了RC-IGBT 工作在IGBT 模式下的開(kāi)啟與關(guān)斷特性以及在二極管模式下的反向恢復(fù)性能,并詳細(xì)研究了p+集電極區(qū)寬度對(duì)電壓折回以及正、反向?qū)妷旱挠绊?。英飛凌(Infineon)是最早推出產(chǎn)品的公司之一,先后于2003 年、2007 年前后和2010 年之后陸續(xù)推出3 代產(chǎn)品,2010 年英飛凌首次推出應(yīng)用于低壓低功率場(chǎng)合的RC-IGBT。飛兆半導(dǎo)體(Fairchild)于2010 年和2013年推出2 代產(chǎn)品。以上產(chǎn)品主要定位在中低壓家電領(lǐng)域(額定電壓600～1600 V)。在中高壓領(lǐng)域,2012 年ABB 研制出了3300 V BIGT HiPak 產(chǎn)品,將傳統(tǒng)IGBT與RC-IGBT 單片集成在一起,是業(yè)內(nèi)首次推出的大功率RC-IGBT 產(chǎn)品,BIGT 結(jié)構(gòu)能夠更好地消除RCIGBT 固有的負(fù)阻效應(yīng)[11-12]。之后,富士電機(jī)、東芝等著名半導(dǎo)體公司也相繼推出了自己的RC-IGBT 產(chǎn)品。截至目前,我國(guó)對(duì)RC-IGBT 的研究多停留在實(shí)驗(yàn)研究階段,尚未有成熟產(chǎn)品出現(xiàn)。

本文通過(guò)對(duì)RC-IGBT 領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外專(zhuān)利申請(qǐng)進(jìn)行整理、分析,針對(duì)RC-IGBT 最典型的技術(shù)問(wèn)題——器件開(kāi)啟初期固有的回跳現(xiàn)象,具體介紹了抑制或消除RC-IGBT 器件回跳問(wèn)題的五個(gè)主要技術(shù)分支,并展示了相應(yīng)的典型器件結(jié)構(gòu)、工作原理和技術(shù)效果,為完全消除RC-IGBT 的回跳問(wèn)題以提升器件整體性能指明了技術(shù)發(fā)展方向。

1 RC-IGBT 原理

1.1 結(jié)構(gòu)及優(yōu)點(diǎn)

RC-IGBT 的原理性結(jié)構(gòu)如圖1 所示。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),RC-IGBT 的區(qū)別在于集電極引入了N+短路區(qū),從而在內(nèi)部形成了類(lèi)似二極管的結(jié)構(gòu)。RC-IGBT 就等效于IGBT 與快速恢復(fù)二極管(FRD)反并聯(lián),提供了一個(gè)緊湊的電流泄放電路。當(dāng)IGBT 在承受反壓時(shí),二極管導(dǎo)通;在關(guān)斷時(shí),RC-IGBT 為漂移區(qū)過(guò)剩載流子提供一條快速有效的泄放通道,縮短了關(guān)斷時(shí)間。

圖1 (a)傳統(tǒng)IGBT 與(b)RC-IGBT 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagrams of (a)traditional IGBT and(b)RC-IGBT

相較于傳統(tǒng)的IGBT,RC-IGBT 不僅節(jié)省了芯片面積、封裝、測(cè)試費(fèi)用,降低了成本,而且具有簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路、低損耗、耐高壓、良好的安全工作區(qū)(SOA)特性、正溫度系數(shù)、良好的軟關(guān)斷特性、短路特性以及良好的功率循環(huán)特性等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 RC-IGBT 的回跳問(wèn)題

RC-IGBT 在擁有眾多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),也存在一些問(wèn)題,其中,最典型的問(wèn)題是回跳(Snap-Back)現(xiàn)象[12]。在RC-IGBT 正向?qū)ǔ跗?電流密度很小,只有電子參與導(dǎo)電,器件處于單極型導(dǎo)電的情況,相當(dāng)于工作在MOS 模式下。當(dāng)電流增大到某一臨界值時(shí),電子在N+場(chǎng)截止層內(nèi)橫向流動(dòng)至N+短路區(qū)所形成的自偏置效應(yīng)使P+集電區(qū)處的背PN 結(jié)充分正偏,P+集電區(qū)就會(huì)向N-漂移區(qū)進(jìn)行空穴注入,N-漂移區(qū)中的電子和空穴共同作用產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),此時(shí)器件進(jìn)入雙極型導(dǎo)電的情況,工作在IGBT 模式下。RC-IGBT 在導(dǎo)通過(guò)程中由單極型導(dǎo)電轉(zhuǎn)換到雙極型導(dǎo)電時(shí),會(huì)出現(xiàn)VCE 較大幅度下降而電流密度繼續(xù)增加的現(xiàn)象,在輸出特性曲線(xiàn)上就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)負(fù)阻區(qū),這就是回跳現(xiàn)象。圖2 給出了典型的RC-IGBT 的I-V曲線(xiàn)圖,當(dāng)器件剛開(kāi)始由MOS 轉(zhuǎn)換到IGBT 模式時(shí),發(fā)生初級(jí)回跳現(xiàn)象,后面的次級(jí)回跳是由于實(shí)際的芯片內(nèi)部包含多個(gè)元胞,不同元胞進(jìn)入電導(dǎo)調(diào)制狀態(tài)的先后不一致,會(huì)出現(xiàn)一系列的次級(jí)回跳?；靥F(xiàn)象的存在會(huì)導(dǎo)致器件在導(dǎo)通初期具有較大的導(dǎo)通壓降,增加了器件的導(dǎo)通損耗;在多芯片并聯(lián)使用時(shí),這一效應(yīng)會(huì)帶來(lái)動(dòng)態(tài)電流分配不均的問(wèn)題;另外,回跳現(xiàn)象所引起的較大電壓變化率還會(huì)影響器件的穩(wěn)定性,使器件容易發(fā)生失效。

圖2 RC-IGBT 的回跳現(xiàn)象[12]Fig.2 Snap-back phenomenon of RC-IGBT[12]

2 RC-IGBT 回跳問(wèn)題的解決

在RC-IGBT 研究中,如何抑制或消除器件開(kāi)啟初期固有的回跳現(xiàn)象是RC-IGBT 器件領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)和技術(shù)關(guān)鍵。RC-IGBT 與傳統(tǒng)IGBT 的不同之處在于陽(yáng)極結(jié)構(gòu),陽(yáng)極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接決定了器件整體性能,尤其對(duì)消除回跳現(xiàn)象至關(guān)重要。這就使得陽(yáng)極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),進(jìn)而成為RC-IGBT 專(zhuān)利技術(shù)儲(chǔ)備的主流。

目前來(lái)說(shuō),RC-IGBT 回跳問(wèn)題的解決方法主要包括五大技術(shù)分支(即五類(lèi)常用方法):引導(dǎo)IGBT 區(qū)法、阻斷電子電流法、強(qiáng)化集電極短路電阻法、超結(jié)結(jié)構(gòu)法、絕緣分離法。圖3 給出了關(guān)于抑制或消除RCIGBT 電壓回跳現(xiàn)象5 類(lèi)常用方法的專(zhuān)利年申請(qǐng)量分布。

圖3 抑制或消除RC-IGBT 電壓回跳現(xiàn)象5 類(lèi)常用方法的專(zhuān)利年申請(qǐng)量分布Fig.3 Annual patent application distribution of 5 common methods for suppressing or eliminating RC-IGBT voltage snap-back phenomenon

早在2009 年,ABB 技術(shù)有限公司[13]通過(guò)設(shè)置引導(dǎo)IGBT 區(qū)來(lái)避免RC-IGBT 在導(dǎo)通狀態(tài)模式下發(fā)生回跳現(xiàn)象,這是首次通過(guò)設(shè)置集電極端結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)RCIGBT 回跳現(xiàn)象抑制的專(zhuān)利申請(qǐng)。之后在RC-IGBT 中設(shè)置引導(dǎo)IGBT 區(qū)的研究大都集中在對(duì)器件背側(cè)各區(qū)域版圖樣式的設(shè)計(jì)[14-18]。雖然引導(dǎo)IGBT 區(qū)法不能完全消除RC-IGBT 的回跳現(xiàn)象,但由于器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且兼容性好,已經(jīng)被普遍應(yīng)用于實(shí)際的產(chǎn)品生產(chǎn)中。

阻斷電子電流法相關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)也比較多[19-21],這一方法是利用P 型阻擋層將N+短路區(qū)與漂移區(qū)或場(chǎng)截止區(qū)隔離開(kāi),阻斷了正向開(kāi)啟時(shí)電子電流流向N+短路區(qū),起到電子勢(shì)壘的作用。最開(kāi)始簡(jiǎn)單引入P 型阻擋層的結(jié)構(gòu)對(duì)P 型阻擋層的厚度和摻雜濃度要求很高,近年來(lái)通過(guò)輔以介質(zhì)槽[20]或集電極柵極[21]能夠?qū)崿F(xiàn)RC-IGBT 回跳現(xiàn)象的完全消除。

強(qiáng)化集電極短路電阻法是專(zhuān)利申請(qǐng)量最多的一種[22-25],主要包括減小N+短路區(qū)的有效面積、增大集電極和N+短路區(qū)之間的電阻。這一方法不但能夠抑制甚至消除電壓回跳現(xiàn)象,并且還能夠提升開(kāi)關(guān)速度、增強(qiáng)器件的穩(wěn)定性。強(qiáng)化集電極短路電阻法相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)量很大的原因跟其可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)多樣性有關(guān)。

超結(jié)結(jié)構(gòu)法[26-27]是通過(guò)在漂移區(qū)形成超結(jié)或半超結(jié)結(jié)構(gòu)來(lái)降低漂移區(qū)電阻,以此來(lái)降低導(dǎo)電模式轉(zhuǎn)換時(shí)的導(dǎo)通壓降變化率。超結(jié)結(jié)構(gòu)法是由三菱公司[26]于2012 年首次提出。由于這一方法主要是針對(duì)漂移區(qū)的設(shè)置,使得其可以與其他抑制或消除RC-IGBT 電壓回跳現(xiàn)象的方法聯(lián)合使用,實(shí)現(xiàn)更好的器件性能。

絕緣分離法相關(guān)的專(zhuān)利在2012-2013 年出現(xiàn)過(guò)少量申請(qǐng)[28],主要是用絕緣結(jié)構(gòu)將P+集電區(qū)和N+短路區(qū)的電勢(shì)在一定程度上進(jìn)行隔離,進(jìn)而使得RC-IGBT器件以更小的電流進(jìn)入IGBT 模式,抑制了電壓回跳現(xiàn)象。在2019 年之后出現(xiàn)了許多新型的絕緣分離方法,例如,將MOS 或FRD 與IGBT 分區(qū)塊集成的方式[29-30]能夠徹底消除電壓回跳現(xiàn)象,但器件結(jié)構(gòu)的制造較復(fù)雜,使其不利于大規(guī)模應(yīng)用。

3 典型器件舉例

下面通過(guò)對(duì)解決RC-IGBT 回跳問(wèn)題五類(lèi)常用方法的專(zhuān)利技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行梳理和總結(jié),從專(zhuān)利案例角度選取典型器件結(jié)構(gòu),并就其工作原理及技術(shù)效果進(jìn)行具體介紹。

3.1 引導(dǎo)IGBT 區(qū)法

2009 年,ABB 技術(shù)有限公司的專(zhuān)利申請(qǐng)[13]提出了通過(guò)設(shè)置引導(dǎo)IGBT 區(qū)可避免RC-IGBT 在導(dǎo)通狀態(tài)模式下發(fā)生階躍恢復(fù)效應(yīng)(即回跳現(xiàn)象)。2013 年,ABB 公司進(jìn)一步對(duì)RC-IGBT 中引導(dǎo)區(qū)、逆導(dǎo)區(qū)中P+集電區(qū)和N+短路區(qū)的形狀、尺寸、分布、摻雜濃度等進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化[14]。圖4(a)給出了具有引導(dǎo)區(qū)的RC-IGBT 的結(jié)構(gòu)示意圖,圖4(b～d)分別給出了引導(dǎo)區(qū)-逆導(dǎo)區(qū)平面版圖設(shè)計(jì)的示例,其中22 為引導(dǎo)區(qū)。由于引導(dǎo)區(qū)中不存在N+短路區(qū),器件集電極端存在大面積的P+引導(dǎo)區(qū),導(dǎo)通初期在P+引導(dǎo)區(qū)上方的自偏壓效應(yīng)非常明顯,促使該區(qū)域最先進(jìn)入雙極型導(dǎo)通;隨著電流的增大,逆導(dǎo)區(qū)P+集電區(qū)上方的自偏壓增大,進(jìn)而進(jìn)入雙極型導(dǎo)通,變?yōu)镮GBT 導(dǎo)通模式。通過(guò)優(yōu)化版圖中引導(dǎo)區(qū)和逆導(dǎo)區(qū)的分布,可以顯著抑制回跳現(xiàn)象的發(fā)生。引導(dǎo)區(qū)可以集中大面積設(shè)置,也可以以較小面積均勻設(shè)置在芯片背面,形狀有放射狀、正交狀。2014 年,江蘇中科君芯科技有限公司通過(guò)增加器件在VDMOS 模式時(shí)引導(dǎo)區(qū)上方電子電流通道的電阻或引導(dǎo)區(qū)集電極PN 結(jié)內(nèi)建電勢(shì),縮小雙模式絕緣柵晶體管的引導(dǎo)區(qū)尺寸,從而提高了器件工作時(shí)內(nèi)部電流密度的均勻性,進(jìn)而提高器件的整體可靠性[15]。另外,英飛凌[16]、中科院微電子所[17]、上海華虹宏力半導(dǎo)體[18]等對(duì)具有引導(dǎo)區(qū)的RC-IGBT 的背面版圖布局進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。

圖4 具有引導(dǎo)區(qū)的RC-IGBT 的(a)結(jié)構(gòu)示意圖及(b～d)引導(dǎo)區(qū)-逆導(dǎo)區(qū)平面版圖設(shè)計(jì)[14]Fig.4 (a) Schematic diagram and (b-d) pilot region-RC region layout design of RC-IGBT with pilot region[14]

3.2 阻斷電子電流法

圖5 給出了利用阻斷電子電流來(lái)消除電壓回跳現(xiàn)象的RC-IGBT 的結(jié)構(gòu)示意圖。2011 年公開(kāi)了一項(xiàng)由臺(tái)灣大中積體電路股份有限公司在美國(guó)提出的專(zhuān)利申請(qǐng)[19],如圖5(a)所示,其利用在P+集電區(qū)和N+柱狀短路區(qū)的上方增加一個(gè)P-薄層,試圖阻止在IGBT 正向?qū)ㄇ半娮与娏髁飨騈+柱狀短路區(qū)。然而隨著P-薄層的增加,器件變成了IGBT 與晶閘管的反并聯(lián),為了實(shí)現(xiàn)晶閘管在低壓下被觸發(fā),P-薄層就必須厚度非常薄或者摻雜濃度很低來(lái)實(shí)現(xiàn)穿通,這樣對(duì)電子電流的阻擋作用就被大大削弱了,導(dǎo)致不能徹底消除回跳現(xiàn)象。2016 年電子科技大學(xué)研發(fā)的一種雙通道RCIGBT[20],其結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示,其中,13 為歐姆接觸金屬,14 為肖特基金屬,肖特基金屬14 與N 集電區(qū)(相當(dāng)于短路區(qū))之間為肖特基接觸。通過(guò)器件背面介質(zhì)溝槽和肖特基接觸等結(jié)構(gòu)的引入,在正向偏置時(shí),N 集電區(qū)被P 集電區(qū)完全屏蔽,使RC-IGBT 器件在正向IGBT 工作模式下完全消除了回跳現(xiàn)象,在反向偏置時(shí),進(jìn)入二極管續(xù)流工作模式,在背部形成雙導(dǎo)電通道。2020 年電子科技大學(xué)提出了一種消除電壓折回現(xiàn)象的RC-LIGBT[21],如圖5(c)所示,在集電極側(cè)引入了額外的集電極柵極,在集電極側(cè)形成了一個(gè)N溝道MOSFET,該MOSFET 與P 型基區(qū)3 在器件內(nèi)形成了一個(gè)與原器件反并聯(lián)的IGBT,原器件的發(fā)射極與集電極分別作為反并聯(lián)IGBT 的集電極與發(fā)射極。

圖5 (a～c)具有阻斷電子電流設(shè)計(jì)的RC-IGBT的結(jié)構(gòu)示意圖[19-21]Fig.5 (a-c) Schematic diagrams of RC-IGBT with electronic current blocking design[19-21]

3.3 強(qiáng)化集電極短路電阻法

強(qiáng)化集電極短路電阻方法是專(zhuān)利申請(qǐng)量最多的一種,其中,電子科技大學(xué)為申請(qǐng)量最多的申請(qǐng)人。圖6 給出了幾種典型的具有強(qiáng)化集電極短路電阻設(shè)計(jì)的RC-IGBT 的結(jié)構(gòu)示意圖。2012 年電子科技大學(xué)通過(guò)在N 集電區(qū)和N 緩沖層之前引入P 浮空層,使RCIGBT 進(jìn)入雙極模式時(shí)的電壓遠(yuǎn)低于常規(guī)結(jié)構(gòu)[22]。如圖6(a)所示,P 浮空層7 起到電子勢(shì)壘的作用,減小了N 集電區(qū)9 的有效面積,從而大大提高集電極短路電阻,由此抑制回跳效應(yīng)。2013 年電子科技大學(xué)提出了一種具有系列P 浮空埋層的RC-IGBT[23],如圖6(b)所示,通過(guò)在N 集電區(qū)8 上方的N 緩沖層上繼續(xù)增加一系列的P 浮空埋層,正向?qū)〞r(shí)抑制甚至是消除了回跳現(xiàn)象。圖6(c)所示的縱向RC-IGBT 器件[24]通過(guò)在集電極結(jié)構(gòu)中設(shè)置具有大阻抗的薄N 型電阻區(qū)11,在器件剛開(kāi)始正向?qū)〞r(shí),在較小的電流下就會(huì)在薄N 型電阻區(qū)11 上產(chǎn)生較大的壓降,P+集電區(qū)9 與N 型場(chǎng)阻止層8 之間將產(chǎn)生電壓差,在極小的電流下就能使兩者之間的PN 結(jié)導(dǎo)通,從而使器件完成從MOSFET 到IGBT 模式的轉(zhuǎn)換。2019 年公開(kāi)了另一種抑制電壓回折現(xiàn)象的RC-LIGBT 器件[25],如圖6(d)所示,通過(guò)引入槽型集電極區(qū)、P 型埋層區(qū),與部分表面耐壓區(qū)3 共同形成RC 抑制。在低集電極電壓時(shí),P 型埋層和槽型集電極區(qū)之間的N 型表面耐壓區(qū)因耗盡而具有高電阻,使得電子不能通過(guò)N 型集電極,從而抑制了電壓回折現(xiàn)象。同時(shí),結(jié)構(gòu)中形成的NMOS 結(jié)構(gòu)也會(huì)加速關(guān)斷過(guò)程中電子的抽取,使得器件具有更優(yōu)的導(dǎo)通電阻和關(guān)斷損耗之間的折中關(guān)系。由于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的多樣化,關(guān)于利用強(qiáng)化集電極短路電阻來(lái)抑制回跳現(xiàn)象的專(zhuān)利申請(qǐng)量很大。

圖6 (a～d)具有強(qiáng)化集電極短路電阻設(shè)計(jì)的RC-IGBT的結(jié)構(gòu)示意圖[22-25]Fig.6 (a-d) Schematic diagrams of RC-IGBT with enhanced collector short-circuit resistance design[22-25]

3.4 超結(jié)結(jié)構(gòu)法

將具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的漂移層應(yīng)用于RC-IGBT 領(lǐng)域來(lái)抑制回跳現(xiàn)象最早是由三菱公司在2012 年提出來(lái)的[26],其結(jié)構(gòu)圖如圖7(a)所示。利用在漂移區(qū)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)來(lái)降低漂移區(qū)的電阻,以此來(lái)降低單極型導(dǎo)電轉(zhuǎn)變到雙極型導(dǎo)電時(shí)導(dǎo)通壓降的變化率,從而抑制回跳現(xiàn)象。另外,超結(jié)結(jié)構(gòu)的引入還可以增加器件耐壓、降低導(dǎo)通電壓。對(duì)于漂移區(qū)較厚的高壓器件可以采用半超結(jié)結(jié)構(gòu)。2014 年?yáng)|南大學(xué)提出了一種RCIGBT[27],如圖7(b)所示,通過(guò)利用超結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)置,實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)RC-IGBT 反并聯(lián),不僅能夠改善RCIGBT 的回跳現(xiàn)象,并且提高開(kāi)關(guān)速率和耐壓,降低關(guān)斷損耗。

圖7 (a～b)漂移區(qū)具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的RC-IGBT 的結(jié)構(gòu)示意圖[26-27]Fig.7 (a-b) Schematic diagrams of RC-IGBT with superjunction structure in drift region[26-27]

3.5 絕緣分離法

圖8 給出了利用絕緣分離方法抑制或消除RCIGBT 電壓回跳現(xiàn)象的幾種典型結(jié)構(gòu)。圖8(a)所示的器件[28]主要是用絕緣結(jié)構(gòu)503 將集電區(qū)5021 和短路區(qū)5022 進(jìn)行隔離,使得集電區(qū)5021 上方緩沖層501 內(nèi)的電子只能通過(guò)位于絕緣結(jié)構(gòu)503 上方的漂移區(qū)500 流到短路區(qū)5022 上方的緩沖層501,然后進(jìn)入短路區(qū)5022,增加了集電區(qū)與短路區(qū)之間的電勢(shì)差,進(jìn)而使得RC-IGBT 器件以更小的電流進(jìn)入IGBT 模式,抑制了電壓回跳現(xiàn)象。2019 年重慶郵電大學(xué)提出了一種具有L 型SiO2隔離層的復(fù)合型RC-IGBT 器件[29],如圖8(b)所示,利用L 型SiO2隔離層將器件分為L(zhǎng)DMOS區(qū)和LIGBT 區(qū)。正向?qū)ǖ恼麄€(gè)過(guò)程由LDMOS 區(qū)為主過(guò)渡到LDMOS+LIGBT 混合導(dǎo)電模式,并以L(fǎng)IGBT雙極性導(dǎo)電模式為主。反向?qū)〞r(shí),LDMOS 區(qū)可等效為PN 結(jié),LIGBT 區(qū)可等效為PNP 結(jié)構(gòu)。器件正向?qū)ㄟ^(guò)程無(wú)回跳現(xiàn)象,且反向工作時(shí)具有良好的獨(dú)立性,還使器件體內(nèi)的電場(chǎng)分布更加均勻且強(qiáng)度很大。電子科技大學(xué)于2020 年提出了一種具有多晶硅耐壓層的RC-IGBT[30],如圖8(c)所示,在傳統(tǒng)RC-IGBT 器件基礎(chǔ)上,在表面耐壓區(qū)和氧化層上方引入多晶硅耐壓層構(gòu)成了一個(gè)反并聯(lián)二極管。在器件正向工作時(shí),由于半導(dǎo)體緩沖層14 和P 型集電極區(qū)15 沒(méi)有短路,所以不會(huì)發(fā)生傳統(tǒng)器件中LDMOS 到LIGBT 模式的轉(zhuǎn)變,徹底消除了電壓回折現(xiàn)象,提高了器件電學(xué)性能。

圖8 (a～c)將集電區(qū)與短路區(qū)絕緣分離設(shè)置的RC-IGBT 的結(jié)構(gòu)示意圖[28-30]Fig.8 (a-c) Structure diagrams of RC-IGBT which separates collector region from short circuit region[28-30]

4 結(jié)論

RC-IGBT 是現(xiàn)在半導(dǎo)體功率器件技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),而如何抑制或消除器件開(kāi)啟初期固有的回跳現(xiàn)象是RC-IGBT 器件領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)和技術(shù)關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)相關(guān)專(zhuān)利技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行梳理和總結(jié),RCIGBT 回跳問(wèn)題的解決方法主要包括五大技術(shù)分支:引導(dǎo)IGBT 區(qū)法、阻斷電子電流法、強(qiáng)化集電極短路電阻法、超結(jié)結(jié)構(gòu)法、絕緣分離法,并結(jié)合典型器件結(jié)構(gòu),分析了這五種方法的技術(shù)關(guān)鍵、所能達(dá)到的技術(shù)效果,以及應(yīng)用情況。其中,引導(dǎo)IGBT 區(qū)法由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且兼容性好,已經(jīng)被普遍應(yīng)用于實(shí)際的產(chǎn)品生產(chǎn)中;強(qiáng)化集電極短路電阻法由于可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的多樣性近年來(lái)專(zhuān)利申請(qǐng)量很大;阻斷電子電流法相關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)也比較多,通過(guò)輔以介質(zhì)槽或集電極柵極能夠?qū)崿F(xiàn)RC-IGBT 回跳現(xiàn)象的完全消除;絕緣分離法器件結(jié)構(gòu)制造的復(fù)雜程度使其目前不利于大規(guī)模應(yīng)用;超結(jié)結(jié)構(gòu)法可以與其他抑制或消除RC-IGBT 電壓回跳現(xiàn)象的方法聯(lián)合使用,實(shí)現(xiàn)更好的器件性能。在抑制或消除電壓回跳現(xiàn)象的同時(shí),能夠具有低正向?qū)▔航怠⒌烷_(kāi)關(guān)損耗、高開(kāi)關(guān)速度、性能穩(wěn)定,且工藝簡(jiǎn)單、兼容性好、制作成本低,是目前RC-IGBT 技術(shù)發(fā)展的方向。目前,RC-IGBT 領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展期,專(zhuān)利申請(qǐng)的重點(diǎn)已經(jīng)逐漸由技術(shù)研發(fā)向技術(shù)改進(jìn)轉(zhuǎn)變。我國(guó)雖然在RC-IGBT 技術(shù)的研究中占有一席之地,但是主要是以科研為主。面對(duì)RC-IGBT 的巨大市場(chǎng)前景,我國(guó)應(yīng)加大RC-IGBT 技術(shù)的產(chǎn)學(xué)研力度,以縮短與國(guó)外生產(chǎn)廠(chǎng)商的科技差距。