段寶興 劉雨林 唐春萍 楊銀堂

(西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院,寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710071)

絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)是現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件的核心,因其良好的電學(xué)特性得到了廣泛的應(yīng)用.本文提出了一種具有肖特基結(jié)接觸的柵半導(dǎo)體層新型多數(shù)載流子積累模式IGBT,并對其進(jìn)行特性研究和仿真分析.當(dāng)新型IGBT 處于導(dǎo)通狀態(tài),柵極施加正向偏壓,由于肖特基勢壘二極管極低的正向?qū)▔航?使得柵半導(dǎo)體層的電壓幾乎等于柵極電壓,從而能夠在漂移區(qū)中積累大量的多數(shù)載流子電子.除了現(xiàn)有的電子外,這些積累的電子增大了漂移區(qū)的電導(dǎo)率,從而顯著降低了正向?qū)▔航?因此,打破了傳統(tǒng)IGBT 正向?qū)▔航凳芷茀^(qū)摻雜濃度的限制.輕摻雜的漂移區(qū)可以使新型IGBT 具有較高的擊穿電壓,同時(shí)減小了關(guān)斷過程中器件內(nèi)部耗盡層電容,因此整體米勒電容減小,提升了關(guān)斷速度,減小了關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗.分析結(jié)果表明,600 V 級別的擊穿電壓時(shí),新型IGBT 的正向?qū)▔航?關(guān)斷損耗和關(guān)斷時(shí)間相比常規(guī)IGBT 分別降低了46.2%,52.5%,30%,打破了IGBT 中正向?qū)▔航岛完P(guān)斷損耗之間的矛盾.此外,新型IGBT 具有更高的抗閂鎖能力和更大的正偏安全工作區(qū).新型結(jié)構(gòu)的提出滿足了未來IGBT 器件性能的發(fā)展要求,對于功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域具有重大指導(dǎo)意義.

1 引言

2020 年9 月,中國政府在第75 屆聯(lián)合國大會(huì)上明確提出了力爭在2030 年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”,2060 年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”.功率半導(dǎo)體器件在實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用,因?yàn)楣β拾雽?dǎo)體器件是電力電子系統(tǒng)的基礎(chǔ),具有變頻、變壓、整流、功率放大和管理等重要作用,能夠?qū)崿F(xiàn)對電能的調(diào)節(jié)、控制和轉(zhuǎn)換,從而提高整個(gè)系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換效率和可持續(xù)性,降低能耗減少碳排放,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排.而絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)作為功率半導(dǎo)體器件的核心,其重要程度不言而喻.IGBT 的概念起源并發(fā)展于20 世紀(jì)80 年代的早期[1],它是由雙極型晶體管(bipolar junction transistor,BJT)和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件[2],兼具了BJT 低正向?qū)▔航岛蚆OSFET 高輸入阻抗兩方面的優(yōu)點(diǎn)[3],在消費(fèi)電子、電力系統(tǒng)、工業(yè)系統(tǒng)、新能源汽車、可再生能源發(fā)電等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.因此在雙碳目標(biāo)的背景之下,開發(fā)設(shè)計(jì)出性能更加優(yōu)異的新型IGBT 器件將對于建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)具有重大意義.

在IGBT 當(dāng)中,擊穿電壓和正向?qū)▔航抵g存在著矛盾[4],通常來說,要想獲得較高的擊穿電壓,器件漂移區(qū)的摻雜濃度須低,但是低摻雜濃度會(huì)使得正向?qū)▔航递^高.同時(shí)在IGBT 中還存在著另一個(gè)關(guān)鍵問題,即正向?qū)▔航岛完P(guān)斷損耗之間的矛盾.要想獲得低正向?qū)▔航?需要增強(qiáng)漂移區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),但是會(huì)在漂移區(qū)中存儲(chǔ)大量的載流子,在關(guān)斷時(shí)難以在短時(shí)間內(nèi)將它們抽取或復(fù)合,因此會(huì)造成關(guān)斷損耗增大.研究者們也進(jìn)行了大量相關(guān)研究來致力于改善正向?qū)▔航岛完P(guān)斷損耗之間的關(guān)系.溝槽柵IGBT 消除了平面柵帶來的結(jié)型場效應(yīng)晶體管(junction field effect transistor,JFET)效應(yīng),從而能夠減小正向?qū)▔航礫5].逆導(dǎo)型IGBT 在集電極處為電子提供了通路,從而能快速關(guān)斷,減小關(guān)斷損耗[6].此外,載流子存儲(chǔ)層溝槽柵IGBT[7],具有P 型環(huán)和點(diǎn)注入的溝槽柵 IGBT 結(jié)構(gòu)[8],具有自偏置PMOS 的IGBT結(jié)構(gòu)[9],以及最近提出的集電極工程半超結(jié)雙向IGBT、階梯分離式溝槽柵IGBT、平面陽極柵超結(jié)IGBT[10-12],都可以改善正向?qū)▔航岛完P(guān)斷損耗之間的折中.

為了更好地解決IGBT 中存在的問題,本文將積累的思想應(yīng)用在IGBT 上,提出了一種具有肖特基結(jié)接觸的柵半導(dǎo)體層新型多數(shù)載流子積累模式IGBT (novel majority carrier accumulation mode IGBT with Schottky junction contact gate semiconductor layer,AC-SCG IGBT),在滿足耐壓的條件下,以同時(shí)降低正向?qū)▔航岛完P(guān)斷損耗.所提出的AC-SCG IGBT 在常規(guī)IGBT 的側(cè)面引入了具有肖特基結(jié)接觸的N-N+-N 的柵半導(dǎo)體層.器件導(dǎo)通時(shí)高電勢的柵半導(dǎo)體層在漂移區(qū)積累多數(shù)載流子電子用以增強(qiáng)電導(dǎo)率以降低正向?qū)▔航?電子的引入使得漂移區(qū)摻雜濃度與正向?qū)▔航禑o關(guān),通過輕摻雜保證耐壓并改善關(guān)斷特性.除此之外,較好的抗閂鎖能力和較高的擊穿電壓使得其具有更大的正偏安全工作區(qū)(forward biased safe operating area,FBSOA).本文所提出的IGBT 為硅基IGBT,也是當(dāng)前最為主流的IGBT 材料,對硅基IGBT 的研究永遠(yuǎn)不會(huì)過時(shí).當(dāng)然隨著第3 代半導(dǎo)體材料SiC 的發(fā)展,一些IGBT 的研究也會(huì)應(yīng)用SiC 作為襯底材料或者是形成硅與SiC 的異質(zhì)結(jié),亦或是采用SiC 作為封裝的基板材料,基于SiC 寬帶隙的特點(diǎn),其應(yīng)用在IGBT 上會(huì)使其在更高溫度、更高阻斷電壓和更高的輻射環(huán)境下工作.Synopsys 公司推出的用以對半導(dǎo)體器件進(jìn)行模擬仿真的軟件Sentaurus TCAD[13]已經(jīng)被用來實(shí)現(xiàn)AC-SCG IGBT 的特性,仿真結(jié)果表明,在600 V級別的擊穿電壓下,AC-SCG IGBT 的正向?qū)▔航禐?.84 V,關(guān)斷損耗為0.77 mJ/cm2,關(guān)斷時(shí)間為155.8 ns,與常規(guī)IGBT 相比分別降低了46.2%,52.5%,30.0%.

2 器件結(jié)構(gòu)

圖1 顯示了常規(guī)溝槽型IGBT 和所提出的AC-SCG IGBT 的結(jié)構(gòu)示意圖.AC-SCG IGBT 的特征是具有肖特基結(jié)接觸的N/N+/N 的柵半導(dǎo)體層,它位于器件的側(cè)面區(qū)域,從N+發(fā)射極到P+集電極,覆蓋整個(gè)漂移區(qū),其兩端連接?xùn)艠O和集電極.為了實(shí)現(xiàn)較好的電隔離,柵半導(dǎo)體層和左側(cè)結(jié)構(gòu)用一層薄SiO2進(jìn)行分隔[14].與常規(guī)的溝槽柵IGBT相比,所提出的AC-SCG IGBT 制作工藝的不同在于其采用了深溝槽刻蝕技術(shù).圖2 為AC-SCG IGBT 的工藝流程,圖2(a)為通過外延形成P+/Nbuffer/N;圖2(b)為根據(jù)合適的深寬比進(jìn)行從上到下的深溝槽刻蝕;圖2(c)為溝槽內(nèi)進(jìn)行SiO2生長,刻蝕掉底部的SiO2,留下溝槽側(cè)壁氧化層;圖2(d)為通過外延回填在溝槽內(nèi)形成N/N+/N;圖2(e)為離子注入;圖2(f)為通過背面減薄工藝減薄P+襯底,最后金屬化形成電極.深溝槽刻蝕為許多高性能縱向器件的制備提供了可行的技術(shù),比如應(yīng)用深溝槽刻蝕技術(shù)的器件[15-18].

圖1 兩種器件結(jié)構(gòu)示意圖 (a)常規(guī)IGBT 結(jié)構(gòu);(b) ACSCG IGBT 結(jié)構(gòu)Fig.1.Schematic cross sections of the two devices: (a) Conventional IGBT structure;(b) AC-SCG IGBT structure.

圖2 AC-SCG IGBT 的工藝流程圖 (a)外延;(b)深溝槽刻蝕;(c) SiO2 生長;(d)外延回填;(e)離子注入;(f)背面減薄和金屬化Fig.2.Process flow for AC-SCG IGBT: (a) Epitaxy;(b) deep trench etching;(c) performing SiO2 growth;(d) epitaxial backfilling;(e) ion implantation;(f) back thinning and metallization.

AC-SCG IGBT 積累層的形成如圖3 所示,當(dāng)對柵極施加正向偏壓,整個(gè)Nside柵半導(dǎo)體層的電勢為柵極電壓VG減去肖特基二極管的內(nèi)建電勢φbi,由于φbi值很小,因此Nside柵半導(dǎo)體層的電勢幾乎與柵極電壓相同.該電壓會(huì)將漂移區(qū)中帶負(fù)電荷的電子吸引到靠近氧化層的界面處形成高密度的電子積累層,電子由圖3 中圓形符號(hào)表示.在導(dǎo)通時(shí),積累的電子和注入的空穴會(huì)對N 型漂移區(qū)的電導(dǎo)進(jìn)行調(diào)制,從而增大電導(dǎo)率,減小正向?qū)▔航?需要注意的是,根據(jù)半導(dǎo)體物理知識(shí),柵半導(dǎo)體層上的電勢與肖特基結(jié)接觸形成的勢壘ΦBN無關(guān),ΦBN的作用可以減小漏電流.此外,漂移區(qū)中積累電子形成的同時(shí),柵半導(dǎo)體層也會(huì)產(chǎn)生等量的空穴,設(shè)置N+區(qū)可阻斷柵極和集電極之間的空穴電流[19].表1 顯示了常規(guī)IGBT 和所提出的ACSCG IGBT 的關(guān)鍵參數(shù)和電學(xué)特性值.

表1 常規(guī)IGBT 和AC-SCG IGBT 的關(guān)鍵參數(shù)和電學(xué)特性值Table 1.Key parameters and electrical characteristic values of the conventional IGBT and AC-SCG IGBT.

圖3 正柵極電壓下AC-SCG IGBT 積累層的截面示意圖及柵半導(dǎo)體層的電位分布Fig.3.Schematic cross sections of AC-SCG IGBT accumulation layer and potential distributions of the gate semiconductor layer under the positive gate voltage.

3 仿真結(jié)果與分析

圖4 為常規(guī)IGBT 和AC-SCG IGBT 的擊穿電壓和正向?qū)▔航惦S漂移區(qū)摻雜濃度的變化情況.需要注意,由圖1(b)可知,在AC-SCG IGBT中,其漂移區(qū)摻雜濃度和柵半導(dǎo)體層的Nside區(qū)域和N 型區(qū)域的摻雜濃度相同,漂移區(qū)摻雜濃度發(fā)生改變時(shí),二者隨之改變.從圖4(a)可以看出,常規(guī)IGBT 的擊穿電壓和正向?qū)▔航刀茧S著漂移區(qū)摻雜濃度的升高而降低,二者之間存在矛盾,這與大多數(shù)常規(guī)器件中的規(guī)律是一致的.從圖4(b)可以看出,AC-SCG IGBT 的正向?qū)▔航祹缀醪皇芷茀^(qū)摻雜濃度的影響,打破了擊穿電壓和正向?qū)▔航抵g的矛盾.因此,對于AC-SCG IGBT,可以選擇低漂移區(qū)摻雜濃度以獲得高擊穿電壓和低正向?qū)▔航?

圖4 兩種器件的BV 和VF 隨ND 變化的曲線圖 (a)常規(guī)IGBT 結(jié)構(gòu);(b) AC-SCG IGBT 結(jié)構(gòu)Fig.4.BV and VF as a function of ND of the two devices:(a) Conventional IGBT;(b) AC-SCG IGBT.

圖5(a)為常規(guī)IGBT 和AC-SCG IGBT 在擊穿時(shí)沿線AA'的垂直電場分布,可以看出二者都呈現(xiàn)出近似梯形的電場分布,這是因?yàn)镹 型buffer區(qū)的引入對縱向電場進(jìn)行調(diào)制.它們主要都是由P 型阱區(qū)和N 型漂移區(qū)之間的反偏結(jié)承擔(dān)電壓,耗盡層主要在N 型漂移區(qū)內(nèi)延伸.結(jié)果表明,常規(guī)IGBT 和和AC-SCG IGBT 的擊穿電壓分別為612 V 和629 V,二者的擊穿電壓都處于600 V 的級別.圖5(b)則顯示了AC-SCG IGBT 在擊穿時(shí)沿線BB'的垂直電場分布,柵半導(dǎo)體層主要依靠反偏的肖特基二極管承擔(dān)電壓,耗盡層在Nside區(qū)域當(dāng)中,N+區(qū)域與N 型buffer 區(qū)的作用相同.對于AC-SCG IGBT 來說,其沿線AA'的垂直電場分布不僅僅受到N 型buffer 區(qū)的影響,還受到沿線BB'均勻電場的調(diào)制,從而使得沿線AA'的電場分布更加均勻.

圖6 為AC-SCG IGBT 在擊穿時(shí)柵氧化層兩側(cè)的電勢分布,通過仿真分析的結(jié)果可以明顯看出柵氧化層兩側(cè)的電勢分布幾乎一致,在同一水平位置不存在橫向壓降,因此薄氧化層不會(huì)被擊穿.

圖6 AC-SCG IGBT 柵氧化層兩側(cè)的電勢分布Fig.6.Potential distribution on both sides of AC-SCG IGBT gate oxide.

圖7 為常規(guī)IGBT 和AC-SCG IGBT 的輸出特性在不同柵極電壓的變化情況.由于漂移區(qū)中靠近氧化層附近電子的積累,增強(qiáng)了電導(dǎo)率,因此AC-SCG IGBT 的輸出電流明顯高于常規(guī)IGBT.柵極電壓越大,柵半導(dǎo)體層和N 型漂移區(qū)之間的電勢差就越大,這樣在器件處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)就會(huì)積累更多的電子,因此輸出電流較高,正向?qū)▔航递^低.圖7 內(nèi)的插圖則為在VG=10 V 時(shí),輸出特性的放大圖,正向?qū)▔航档闹禐殡娏髅芏鹊扔?00 A/cm2時(shí)對應(yīng)的電壓.仿真結(jié)果表明,ACSCG IGBT 的正向?qū)▔航禐?.84 V,與常規(guī)IGBT 的1.56 V 相比降低了46.2%.圖8 則進(jìn)一步顯示了兩種器件在相同柵壓VG=10 V 下的飽和特性對比,雖然由于漂移區(qū)小部分縮減形成柵半導(dǎo)體層帶來的多數(shù)載流子積累效應(yīng),新結(jié)構(gòu)的輸出電流會(huì)大于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),但隨著集電極電壓的逐漸增大最終達(dá)到飽和電流時(shí),仿真結(jié)果顯示新結(jié)構(gòu)的飽和電流其實(shí)只略微大于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu).由于二者飽和電流相差很小,因此對短路耐受能力影響不大.

圖7 兩種器件在不同VG 下的輸出特性Fig.7.Variation of output characteristics for the two devices under VG.

圖8 兩種器件在VG=10 V 下的飽和特性Fig.8.Saturation characteristics for the two devices under VG=10 V.

AC-SCG IGBT 的輸出特性也與氧化層厚度TOX有關(guān).從圖9 可以看到,隨著TOX的減小,ACSCG IGBT 的正向?qū)▔航抵饾u減小,導(dǎo)通特性更好.這是因?yàn)楫?dāng)TOX較小時(shí),氧化層電容會(huì)相應(yīng)增大,在相同的柵極電壓下,漂移區(qū)靠近氧化層一側(cè)會(huì)積累更多的電荷,使得電子密度增加,因此會(huì)得到更大的輸出電流和更低的正向?qū)▔航?

圖9 AC-SCG IGBT 在不同TOX 下的輸出特性Fig.9.Variation of output characteristics for the AC-SCG IGBT under TOX.

圖10(a)為帶感性負(fù)載的IGBT 開關(guān)電路,圖10(b)則為常規(guī)IGBT 和AC-SCG IGBT 關(guān)斷特性的曲線圖.從圖10(b)可以看出,與常規(guī)IGBT相比,AC-SCG IGBT 在關(guān)斷過程中電壓VCE上升更快,關(guān)斷時(shí)間短,關(guān)斷損耗低.從圖11 可以看出,當(dāng)漂移區(qū)摻雜濃度相同時(shí),AC-SCG IGBT 的米勒電容CGC幾乎與常規(guī)IGBT 一樣,并沒有因?yàn)檠趸瘜拥难娱L而增大,這是因?yàn)樵陉P(guān)斷時(shí)ACSCG IGBT 在集電極處多串聯(lián)了一個(gè)肖特基勢壘電容,從而削弱了氧化層延長增大電容帶來的影響.因此,具有低漂移區(qū)摻雜濃度的AC-SCG IGBT內(nèi)的耗盡層電容更小,因此整體米勒電容更小,如圖11 仿真結(jié)果所示.低的米勒電容可以使得ACSCG IGBT 在關(guān)斷過程中VCE上升快,能夠快速關(guān)斷,從而減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗.仿真結(jié)果表明,AC-SCG IGBT 的關(guān)斷損耗為0.77 mJ/cm2,關(guān)斷時(shí)間為155.8 ns,與常規(guī)IGBT 相比分別降低了52.5%和30.0%.

圖10 開關(guān)電路與關(guān)斷特性圖 (a)帶感性負(fù)載的IGBT開關(guān)電路圖;(b)兩種器件的關(guān)斷特性曲線Fig.10.Switching circuit and turn-off characteristics diagram: (a) Switching circuit with inductive load for IGBT;(b) turn-off characteristics for the two devices.

圖11 兩種器件的米勒電容Fig.11.CGC as a function of VCE of the two devices.

圖12 為常規(guī)IGBT 和AC-SCG IGBT 的正向?qū)▔航岛完P(guān)斷損耗的折中曲線.折中曲線是通過改變集電極P 區(qū)的摻雜濃度以得到不同VF值下的Eoff[20].從圖12 可以看到,與常規(guī)IGBT 相比,在擊穿能力相同的條件下,AC-SCG IGBT 的正向?qū)▔航岛完P(guān)斷損耗分別降低了46.2%和52.5%.可以證明所提出的AC-SCG IGBT 具有更低的正向?qū)▔航岛完P(guān)斷損耗,在二者之間取得了比常規(guī)IGBT 更好的折中特性.

圖12 兩種器件VF 和Eoff 的折中曲線圖Fig.12.Trade-off curves between VF and Eoff for the two devices.

除了上述優(yōu)異的電學(xué)特性外,與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比,新結(jié)構(gòu)還提高了電學(xué)可靠性.圖13 為兩種器件在不同柵壓下I-V曲線組成的FBSOA,可以看到AC-SCG IGBT 具有更大的FBSOA.這是因?yàn)?與常規(guī)IGBT 相比,AC-SCG IGBT 的P-well區(qū)域的尺寸更小,因此該區(qū)域的體電阻更小,所以其抗閂鎖能力更強(qiáng);加之漂移區(qū)輕摻雜帶來較好的耐壓特性,AC-SCG IGBT 的FBSOA 更大.

圖13 兩種器件的FBSOAFig.13.FBSOA of the two devices.

4 結(jié)論

針對目前在IGBT 中存在的固有問題和矛盾,本文提出了一種具有肖特基結(jié)接觸的柵半導(dǎo)體層新型多數(shù)載流子積累模式IGBT 器件結(jié)構(gòu),并通過仿真研究其擊穿、輸出、關(guān)斷、安全工作區(qū)等相關(guān)特性.由于積累的作用,AC-SCG IGBT 漂移區(qū)的電導(dǎo)率提高,漂移區(qū)的摻雜濃度不受正向?qū)▔航档南拗?可以采用低漂移區(qū)摻雜濃度以獲得高擊穿電壓和低正向?qū)▔航?此外,輕摻雜的漂移區(qū)使得器件在關(guān)斷過程中內(nèi)部的耗盡層電容較小,因此整體的米勒電容較小,能夠快速關(guān)斷從而減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗.結(jié)果表明,在600 V 級別的擊穿電壓下,與常規(guī)IGBT 比,AC-SCG IGBT 的正向?qū)▔航岛完P(guān)斷損耗分別降低了46.2%和52.5%,實(shí)現(xiàn)了更低的正向?qū)▔航岛完P(guān)斷損耗,打破了二者之間存在的矛盾.與此同時(shí),AC-SCG IGBT 具有更強(qiáng)的抗閂鎖能力,加之輕摻雜帶來的較好的耐壓特性,使其具有更大的FBSOA.新型結(jié)構(gòu)的提出,其優(yōu)異的性能將為IGBT 領(lǐng)域提供更多的創(chuàng)新和可能性.