550V無電壓折回逆導(dǎo)型橫向絕緣柵雙極晶體管器件設(shè)計

摘要：仿真結(jié)果顯示：在幾乎相同的耐壓和反向?qū)芰ο?，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(dǎo)通壓降與關(guān)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(dǎo)通壓降與關(guān)斷損耗的折中。

0   引言

由于兼具雙極晶體管的低導(dǎo)通壓降以及場效應(yīng)晶體管具有的高輸入電阻、高速開關(guān)等優(yōu)點，IGBT已經(jīng)成為了高頻功率開關(guān)器件領(lǐng)域中的主流器件，并且被廣泛應(yīng)用于交通、智能電網(wǎng)等諸多領(lǐng)域^[1-3]。傳統(tǒng)的IGBT器件在反向狀態(tài)下無法導(dǎo)通，一般需要并聯(lián)1個快恢復(fù)二極管（FRD）用以續(xù)流保護(hù)，然而這會增加額外的封裝成本和面積。逆導(dǎo)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(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，RC-LIGBT開始成為功率器件領(lǐng)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?qū)ǖ哪芰?，然而器件也因此在正向?qū)☉B(tài)下會發(fā)生電壓折回現(xiàn)象，器件的正向?qū)▔航禃黾樱⑶铱煽啃砸矔艿接绊?。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(xué)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(jié)構(gòu)，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(dǎo)致更大的器件尺寸、更差的正向?qū)▔航礦on與關(guān)斷損耗Eoff間折中關(guān)系等問題。

本文提出了一種基于SOI技術(shù)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(xué)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(guān)系等優(yōu)點。

1   器件結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1(a)為傳統(tǒng)SSA-LIGBT器件的二維結(jié)構(gòu)示意圖，LB為陽極P+區(qū)與N+區(qū)之間的間距，當(dāng)陽極施加較小的正向電壓時，陽極P+/N-Buffer形成的PN結(jié)未導(dǎo)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??；當(dāng)正向電壓不斷增大至P+/N-Buffer結(jié)導(dǎo)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(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，器件工作模式便由MOS模式轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(guān)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(xué)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(guān)斷狀態(tài)，而此時襯底下的FRD將處于正偏狀態(tài)而導(dǎo)通，從而實現(xiàn)器件的反向?qū)ㄌ匦?。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(jié)面設(shè)計為柱面結(jié)，并且N+區(qū)注入結(jié)深足夠深（7.5 mm）來提高FRD的耐壓[9]。相關(guān)器件關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

2   仿真結(jié)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(jìn)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(dāng)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(zhuǎn)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(jié)果可知，即使在LB長度高達(dá)45 mm時，電壓折回現(xiàn)象依然存在，并且當(dāng)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(jié)果所示，本文提出RC-LIGBT器件通過埋氧層對SOI層和FRD的電學(xué)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??；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?qū)ㄌ匦浴?/p>

圖4 為本文提出RC-LIGBT器件與傳統(tǒng)SSALIGBT，以及文獻(xiàn)[10]與文獻(xiàn)^[11]中的RC-LIGBT器件，在正向?qū)娏髅芏菾A = 100 A/cm2條件下的正向?qū)▔航礦_on與關(guān)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(guān)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(xiàn)^[10]和文獻(xiàn)^[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(guān)系對比

3   結(jié)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(xué)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(jié)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(guān)系。此外，由于襯底電極與陰極短接，本文提出器件可應(yīng)用于諸如零電壓開關(guān)（ZVS）和零電流開關(guān)（ZCS）Boost變換器電路等領(lǐng)域中^[12]。

參考文獻(xiàn)：

[1] SAKURAI N,MORI M,YATSUO T. High speed high current capacity LIGBT and diode for output stage of high voltage monolithic three-phase inverter IC[C].The 1990 International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC’s (ISPSD),IEEE,1990:66-71.

[ 2 ] N A K A G A W A A , F U N A K I H , Y A M A G U C H I Y , e t al. Improvement in lateral IGBT design for 500 V 3 A o n e c h i p i n v e r t e r I C s [ C ] . T h e 1 9 9 9 I n t e r n a t i o n a l Symposium on Power Semiconductor Devices & IC’s (ISPSD),Toronto:IEEE,1999: 321-324.

[3] GOUGH P A,SIMPSON M R,RUMENNIK V. Fast switching lateral insulated gate transistor[C].The 1986 I n t e r n a t i o n a l E l e c t r o n D e v i c e s M e e t i n g , L o s Angeles:IEEE,1986:218-221.

[4] TAKAHASHI,YAMAMOTO,AONO,et al.1200V reverse conducting IGBT[C].The 2004 International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs,Kitakyushu:IEEE,2004:133-136.

[5] GOUGH P A,SIMPSON M R,RUMENNIK V.Fast switching lateral insulated gate transistor[C].The 1986 Electron Devices Meeting,IEEE,1986:218-221.

[ 6 ] C H U L J H , B Y E O N D S , O H J K , e t a l . A f a s t - s w i t c h i n g S O I S A - L I G B T w i t h o u t N D R r e g i o n [ C ] .T h e 2 0 0 0 P o w e r S e m i c o n d u c t o r D e v i c e s a n d IC’s(ISPSD),IEEE,2000:149-152.

[7] PARK J M,WAGNER S,GRASSER T,et al.New SOI lateral power devices with trench oxide[J].Solid-State Electronics,2004, 48(6):1007-1015.

[8] LIN Z,CHEN X.A new solution for superjunction lateral double diffused MOSFET by using deep drain d i f f u s i o n a n d f i e l d p l a t e s [ J ] . I E E E E l e c t r o n De v i c e Letters,2015,36(6):588-590.

[9] ZHU J,et al. Electrical characteristic study of an SOILIGBT with segmented trenches in the anode region[J].IEEE Transactions on Electron Devices,2016,63(5):2003-2008.

[10] LUO X R,et al.A snapback-free fast-switching SOI LIGBT with an embedded self-biased n-MOS[J].IEEE Transactions on Electron Devices,2018,65(8):3572-3576.

[11] LUO X,et al.A snapback-free and low-loss shortedanode SOI LIGBT with self-adaptive resistance[J].IEEE Transactions on Electron Devices,2019,66(3):1390-1395.

[12] CANESIN C A,BARBI I.Comparison of experimental losses among six different topologies for a 1.6 kW b o o s t c o n v e r t e r , u s i n g I G B T s [ C ] . T h e 1 9 9 5 Po w e r Electronics Specialist Conference(PESC),Atlanta:IEEE,1995:1265-1271.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年9月期）