CN103022089A

CN103022089A - 一种无snapback效应的逆导型绝缘栅双极晶体管

Info

Publication number: CN103022089A
Application number: CN2012102031503A
Authority: CN
Inventors: 陈万军; 蒋华平; 章晋汉; 张波
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China; Institute of Electronic and Information Engineering of Dongguan UESTC
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2013-04-03

Abstract

一种无snapback效应的逆导型绝缘栅双极晶体管，属于半导体功率器件技术领域。本发明在常规RC-IGBT的在N集电区（9）和N缓冲区（8）之间引入一个P浮空区（7），以消除其snapback效应，降低器件的关断损耗。新结构减小了N集电区（9）元胞长度及其有效面积，提高了集电极短路电阻，且P浮空区（7）的发射效率较P集电区（10）高，通过电导调制效应降低N-漂移区（6）电阻，由此消除snapback效应。在反向工作时，由N-漂移区（6）、P浮空区（7）、N集电区（9）构成的寄生晶体管开启，提供电流通路，与P体区（5）形成PNPN四层结构的正反馈，降低了器件反向导通时的导通电阻，实现了较低的开态电压和快速关断。

Description

一种无snapback效应的逆导型绝缘栅双极晶体管

技术领域

本发明属于半导体功率器件技术领域，涉及绝缘栅双极晶体管（IGBT）。

技术背景

随着科技的不断进步和工业的快速发展，对能源特别是对电力的消耗日益增加，如何节约电能，提高能源的利用效率，成为了当今的重要课题。在此背景下，以IGBT为代表的半导体功率器件应运而生。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT和MOS组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器器件。IGBT既具有MOSFET的工作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又拥有BJT载流量大，阻断电压高等多项优点，从而极大的扩展了半导体器件的功率应用领域。而且，在相同功率定额条件下，IGBT所用的硅面积要比MOSFET小。因此在高压应用领域，IGBT正在逐渐取代MOSFET。同时和功率BJT相比，IGBT具有很高的开关频率，以及相近的通态压降和电流密度。

IGBT的栅极与发射极之间、栅极与集电极之间存在着结间电容，在它的射极回路中存在着漏电感，这些分布参数很不利于IGBT的动态特性，因此常规的IGBT只能单向导通。现有一种反向导通绝缘栅双极晶体管（RC-IGBT），如图1所示，其结构上引入了一个N集电极9，实现集电极短路结构，以很低的成本将快恢复二极管（free-wheeling diode，FWD，用于导通反向电流）集成于IGBT 芯片上，大大改善了动态特性，使IGBT能够导通交变电流。RC-IGBT其相同的硅被正向导通和反向导通同时利用，降低了芯片尺寸和测试等成本，和传统单向IGBT相比，在正向电压降和关断损耗之间取得了更好的平衡，如文献[1]E.Napoli,P.Spirito,A.G.M.Strollo,F.Frisina,L.Fragapane,and D.Fagone,“Design of IGBT with integral freewheeling diode,”IEEE Electron Device Lett.,vol.23,no.9,pp.532-534,Sept.2002.[2]H.Takahashi,A.Yamamoto,S.Aono,and T.Minato,“1200V reverse conducting IGB T,”in Proc.ISPSD,2004,pp.133-136.所述。

然而，RC-IGBT容易发生snapback效应——即正向电压达到一定程度时，电流增大电压反而下降，这个缺点近年来受到了大量关注。RC-IGBT正向导通时，低电流密度下电子全部经过N集电极9流向阳极12，由于N缓冲层8降低了P集电极10的发射效率，当电压增加到一定程度时，P集电极10才开始导通并向N漂移区6注入空穴，通过电导调制效应降低N 漂移区6的电阻，使得电流增大而电压反而减小，即snapback效应。当器件并联时，特别是在非常低的温度下，这个负面效应会阻止器件的完全开启。

通常可在器件外部增加一个例如RC缓冲电路的辅助电路来改善器件动态特性，并消除snapback效应，不过由此会增加电路设计的复杂性。本发明将提出一种新型的RC-IGBT结构，从器件结构上消除snapback效应。

发明内容

本发明旨在提供一种逆导型绝缘栅双极晶体管（RC-IGBT），该RC-IGBT无snapback效应，器件关断损耗更低。

RC-IGBT的特点是集电极既有P集电极10又有N集电极9，相当于集成了一个PIN结构的快恢复二极管（由P体区5、N漂移区6和N集电极9所构成），大大减小电流从正向到反向相互变化时的恢复时间，使IGBT能够双向工作。然而传统RC-IGBT会发生snapback效应，在温度较低时，阻止器件的完全开启。Snapback效应即RC-IGBT正向导通时，低电流密度下电子全部经过N集电极9流向金属化集电极12，由于N缓冲层8降低了P集电极10的发射效率，当电压增加到一定程度时，P集电极10才开始导通并向N漂移区6注入空穴，通过电导调制效应降低N漂移区6的电阻，使得电流增大而电压反而减小的效应。

本发明采用技术方案为：

一种无snapback效应的逆导型绝缘栅双极晶体管，其结构如图2所示，包括金属化发射极1、场氧化层2、多晶硅栅电极3、栅氧化层、N+源区4、P体区5、N-漂移区6、N缓冲层8、N集电区9、P集电区10和金属化集电极12；P体区5位于N-漂移区6顶部，N+源区4位于P体区5中，栅氧化层位于N+源区4、P体区5和N-漂移区6的表面，多晶硅栅电极3位于栅氧化层表面，金属化发射极1覆盖N+源区4和P体区5的剩余表面，金属化发射极1与多晶硅栅电极3之间是场氧化层2。N-漂移区6的下表面具有相互接触的P浮空区7和N缓冲层8，P浮空区7和金属化集电极12之间是N集电区9，N缓冲层8和金属化集电极12之间是P集电区10，N集电区9和P集电区10被相互隔离；N集电区9与N-漂移区6部分接触，接触宽度尺寸为L_gap；金属化集电极12内部具有一个氧化层11，氧化层11将金属化集电极12隔离成两个部分，其中一部分金属化集电极12只与N集电区9接触，另一部分金属化集电极12只与P集电区10接触。

需要说明的是：1、浮空P区7的具体实现方法为离子注入技术或扩散技术；2、所述P浮空区7浓度、P浮空区7结深x_p、N缓冲层8浓度、N缓冲层8结深x_n和N集电区（9）与N-漂移区（6）的接触宽度尺寸L_gap可供优化。

本发明提供的无snapback效应的逆导型绝缘栅双极晶体管，相当于是在图1所示常规逆导型绝缘栅双极晶体管的N集电区9和N缓冲层8之间引入一个P浮空区7。P浮空区7部分包围N集电极9，N集电区9与N-漂移区6的接触区域宽度尺寸为L_gap。P浮空区7，N缓冲层8和氧化层11将N集电区9与P集电区10隔离。氧化层11隔离P浮空区7与金属集电极12。

如图2所示，本发明提供的无snapback效应的逆导型绝缘栅双极晶体管在N集电区9和N缓冲层8之间引入的P浮空区7，在低电流密度时，P浮空区7起到电子势垒的作用，减小了N集电区9元胞长度，减小其有效面积，从而大大提高集电极短路电阻，由此抑制snapback效应；当电压逐渐增加时，P浮空区7开始向N-漂移区6发射空穴，由于P浮空区7上方没有N缓冲层8，发射效率较高，所以会比P集电区10更早开始工作，通过电导调制效应降低N-漂移区6的电阻，消除snapback效应。

同时，本发明提供的无snapback效应的逆导型绝缘栅双极晶体管在反向工作时，N集电区9、P浮空区7和N-漂移区6晶体管开启提供电流通路，N集电区9作为发射极工作，由P体区5、N集电区9、P浮空区7和N-漂移区6构成的PNPN四层结构形成正反馈，由图3的等效电路图可知，降低了反向导通时的导通电阻，这些有助于集成的快恢复二极管实现较低的开态电压和快速关断。

当电流密度较小，P集电区10未导通时，称此时的IGBT工作在单极模式；当电流密度较大，P集电区10导通时，称此时的IGBT工作在双极模式。本发明由于消除了snapback效应，进入双极模式时的电压远低于常规结构，如图4所示。

通过数学仿真软件，验证实现了一个无snapback效应的RC-IGBT。图4展示了其正向导通特性，和常规RC-IGBT相比，新结构即使在-40℃时也没有snapback效应，这有利于P浮空区7形成高电阻率短集电极电子通路，如图5所示。图6给出了snapback效应与集电极元胞长度的关系，从图1中我们可以看到，集电极元胞长度仅为80μm的新结构（Lgap=4μ m）没有snapback效应，而常规结构直到元胞长度增加到2mm时才能消除snapback效应。图7显示出在反向导通状态下，小于1.0V的开态电压（此时载流子寿命=1 to 100μs），这是由于由N集电区9、P浮空区7和N-漂移区6所构成的晶体管的开启所造成的（见图7中的电流线插图）。新结构在正向电压降和关断损耗之间取得了更好的平衡。在正向压降同为1.44V时，结构的关断损耗比常规结构减小20%（图8），并且关断时间比常规结构减小了27% （图9）。

附图说明

图1是常规RC-IGBT的剖面示意图。

图2是本发明提供的无snapback效应的RC-IGBT的剖面示意图。

图3是本发明提供的无snapback效应的RC-IGBT的正向导通（a）和反向导通（b）的等效电路图。其中integrated FWD为集成快恢复二极管。

图4是常规RC-IGBT和本发明提供的无snapback效应的RC-IGBT的正向特性曲线图。其中横坐标Colector Voltage为集电极电压V_c，纵坐标Colector Current为集电极电流I_c，Conventional指常规结构，Proposed指本发明新结构，R_dift指漂移区电阻，R_ch指沟道电阻，R_cs，con指集电极短路电阻。

图5是器件电势线和电流线，其中（a）Conv.RC at A(unipolar mode)为常规结构工作在A点（单级模式），（b）Conv.RC at A(bipolar mode)为常规结构工作在B点（双级模式），（c）Proposed RC at C(unipolar mode)为新型结构工作在C点（单级模式），（d）Proposed RC atD(bipolar mode)新型结构工作在D点（双级模式）。其中N-drift为N漂移区、N-buffer为N缓冲层、P-collector为P集电极、N-Collector为N集电极，P-float为P浮空层，Barrier for electrons表示电子势垒，Activated n-p-n表示n-p-n被激活。

图6是ΔV_SB（=V_SB-V_H，V_SB是snapback效应的反转电压，V_TH是snapback之后的集电极电压最小值）与集电极元胞长度L_C的关系。其中横坐标Collector Cell Length为集电极元胞长度L_C，Conventional RC指常规结构，Conventional RC-IGBT指常规RC-IGBT，ProposedRC-IGBT指本发明新型RC-IGBT。

图7是器件反向特性曲线以及电流线插图。其中横坐标Colector Voltage为集电极电压V_c，纵坐标Colector Current为集电极电流I_c，Activated n-p-n指受激活的n-p-n。

图8以P集电极10掺杂浓度为变量，考察正向压降和关断损耗之间的平衡关系。其中横坐标Forward Voltage为正向压降V_F，纵坐标Turn-Off Lose为关断损耗E_OFF。图中ProposedRC-IGBT为新型RC-IGBT，Conventional RC-IGBT为常规RC-IGBT。

图9是钳位感性负载下的关断电流波形图和功率损耗波形图，点P、Q、R在图8中显示。图中横坐标Times为时间，纵坐标Collector current为集电极电流，纵坐标Power为功率，Proposed RC-IGBT at P表示本发明新型RC-IGBT工作在P点，Conventional RC-IGBT at Q表示常规RC-IGBT工作在Q点，FS-IGBT at R表示FS-IGBT工作在R点。

图10是新型器件与常规器件的结构参数表，耐压均为1200V。

具体实施方式

结构上，本发明提供的无snapback效应的RC-IGBT（以下简称新结构）比常规RC-IGBT多了一个P浮空区7，该P浮空区7引入集电极元胞的N集电区9和N缓冲层8之间，工艺上需多一道掩模板以实现。P浮空区7的掺杂浓度不能高于1.5X10¹⁶cm^-3，以避免增加漏电流，降低耐压。新结构正向导通时的等效电路见图3（a），P浮空区7起到电子势垒的作用，同时减小了N集电区9元胞长度及其有效面积，从而大大提高集电极短路电阻R_CS，抑制snapback效应。当电压逐渐增加时，常规RC-IGBT结构由于N缓冲层8层降低了P集电区10的发射效率，只有当电压增加到一定程度时，P集电区10才开始导通并向N-漂移区6注入空穴。而发明提供的无snapback效应的RC-IGBT由于P浮空区7上方没有N缓冲层8层，发射效率较高，所以会比P集电区10更早开始工作，在电压较低时即能通过电导调制效应降低N-漂移区6的电阻，由此消除snapback效应。在反向工作时，发明提供的无snapback效应的RC-IGBT中由N集电区9、P浮空区7和N-漂移区6构成的寄生三极管开启提供电流通路（N集电区9作为发射极工作），由P体区5、N集电区9、P浮空区7和N-漂移区6构成的PNPN四层结构形成正反馈结构的两个寄生晶体管，即图3（b）等效电路图中的Q3管和Q4管，通过正反馈降低了反向导通时的导通电阻，这些有助于集成的快恢复二极管实现较低的开态电压和快速关断。

用数学软件对新结构和常规RC-IGBT进行仿真设计，在相同的元胞尺寸和耐压要求下进行对比，结果如下：

器件的正向特性曲线如图4所示，其中绿色曲线为常规RC-IGBT，红色曲线为新结构，实心点和空心点分别表示测试条件在25℃和零下40℃，载流子寿命为10μs。常规器件的正向特性曲线有很明显的转折，即snapback效应。A点为器件从单极模式变为双极模式的临界点，A点之下电压从零开始逐渐增加时，电流密度很小，P集电区10由于受N缓冲层8层限制了发射效率而未开始发射空穴，电流通路只经由N集电区9至金属化集电极12，器件的工作状态相当于一个单极器件MOS管，称为单极模式。当电压达到临界点时，P集电区10开始向N-漂移区6注入空穴，通过电导调制效应降低漂移区电阻，导致曲线AB段的负阻效应。新结构正向特性曲线没有转折，证明其P浮空区7的结构消除了snapback效应。随着温度的降低，阈值电压V_T上升，临界点电压增大。而新结构即使在零下40℃时，正向曲线也没有出现snapback效应。新结构消除snapback效应的一个因素，是其较短的集电区9元胞大大提高了集电极电阻，在相同的电流密度时得到比常规RC-IGBT高很多的电压，使器件在电流密度较低时就进入双极模式，C点为新器件从单极模式变为双极模式的临界点。R_CS，con和R_CS，new分别为常规RC-IGBT和新结构的集电极短路电阻，通过图10列出的结构参数，我们可以估算得漂移区电阻和MOS沟道电阻之和为0.6Ω-cm2，R_CS，new=2.18Ω-cm2,比R_CS,con(0.18Ω-cm2)大12倍。

器件电流线如图5所示，图中相邻两条电流线之间的电势差为0.1V。图a和图b分别为常规RC-IGBT工作在图4所示的A点（单极模式）下和B点（双极模式）下。可以看出常规器件工作在A点，电流密度较小时，P集电极10并无电流经过。而在B点处P集电极10有电流通路，相比A点电流密度增大，电压反而减小。图c和图d为新结构工作在图4所示的C点（单极模式）下和D点（双极模式）下。在C点处，电流密度较小时，P浮空区7无电流通路，起到电子势垒的作用，降低N集电区9的有效面积，增大集电极短路电阻。当电流密度增大至D点时，由N集电区9、P浮空区7和N-漂移区6构成的npn晶体管开启形成电流通路，使器件更早地进入双极模式工作，消除snapback效应。

图6揭示了ΔV_SB（=V_SB-V_H，V_SB是snapback效应的转折电压，V_H是snapback效应发生后的集电极电压最小值）与集电极元胞长度L_C的关系，图中N集电区9和P集电区10的区域比为1/3，载流子寿命为10μs，温度为25℃。绿色曲线为常规RC-IGBT，红、蓝、紫色曲线分别为新结构的L_gap（见图1）为4μm、12μm、16μm时，可以得出当新结构L_gap=4μm时，ΔV_SB=0V，即完全消除snapback效应。

新结构在反向导通下的开态电压如图7所示，温度为25℃。载流子寿命分别为1μs、5μs、10μs、100μs，开态电压均小于1.0V。从图7中的电流线插图可以得知，这是由于N集电区9、P浮空区7和N-漂移区6构成的寄生晶体管的开启，形成正反馈效应所导致的反向开态电压的降低。

考察正向压降和关断损耗之间的平衡关系，如图8所示，以P集电区10的掺杂浓度为变量，载流子寿命10μs，温度25℃。在关断状态下仿真，器件关断时的正向电流密度为100A/cm2，线电压为600V。红色曲线为新结构，绿色曲线为常规RC-IGBT，紫色曲线为单向导通IGBT。从图中可以明显看出，新结构在正向电压降和关断损耗之间取得了更好的平衡。在正向压降同为1.44V时，新结构的关断损耗比常规结构减小20%，更远远小于单向IGBT结构。从图9可以得到三种器件相对应的的关断电流波形图和功率损耗波形图，在钳位感性负载下仿真测试，载流子寿命10μs，温度25℃，结果表明新结构的关断时间比常规结构减小了27%，这是由于其寄生的两个三极管（如图3所示，Q3，Q4）形成的正反馈效应降低了反向导通时的导通电阻，使得集成的快恢复二极管实现较低的开态电压和快速关断。

Claims

1.一种无snapback效应的逆导型绝缘栅双极晶体管，包括金属化发射极（1）、场氧化层（2）、多晶硅栅电极（3）、栅氧化层、N+源区（4）、P体区（5）、N-漂移区（6）、N缓冲层（8）、N集电区（9）、P集电区（10）和金属化集电极（12）；P体区（5）位于N-漂移区（6）顶部，N+源区（4）位于P体区（5）中，栅氧化层位于N+源区（4）、P体区（5）和N-漂移区（6）的表面，多晶硅栅电极（3）位于栅氧化层表面，金属化发射极（1）覆盖N+源区（4）和P体区（5）的剩余表面，金属化发射极（1）与多晶硅栅电极（3）之间是场氧化层（2）；N-漂移区（6）的下表面具有相互接触的P浮空区（7）和N缓冲层（8），P浮空区（7）和金属化集电极（12）之间是N集电区（9），N缓冲层（8）和金属化集电极（12）之间是P集电区（10），N集电区（9）和P集电区（10）被相互隔离；N集电区（9）与N-漂移区（6）部分接触，接触宽度尺寸为L_gap；金属化集电极（12）内部具有一个氧化层（11），氧化层（11）将金属化集电极（12）隔离成两个部分，其中一部分金属化集电极（12）只与N集电区（9）接触，另一部分金属化集电极（12）只与P集电区（10）接触。

2.根据权利要求1所述的无snapback效应的逆导型绝缘栅双极晶体管，其特征在于，所述P浮空区7的具体实现方法为离子注入技术或扩散技术。

3.根据权利要求1所述的无snapback效应的逆导型绝缘栅双极晶体管，其特征在于，所述P浮空区7浓度、P浮空区7结深x_p、N缓冲层8浓度、N缓冲层8结深x_n和N集电区（9）与N-漂移区（6）的接触宽度尺寸L_gap可供优化。