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Lgap;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xp、N缓冲层8浓度、N缓冲层8结深xn和N集电区(9) 与N-漂移区(6)的接触宽度尺寸Lgap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Lgap。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Vc,纵坐标Colector Current为集电极电流Ic,Conventional指常规结构,Proposed指本发明新结构,Rdift指漂移区电阻,Rch指沟道电阻,Rcs,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ΔVSB(=VSB-VH,VSB是snapback效应的反转电压,VTH是snapback之后的集电极电压最小值)与集电极元胞长度LC的关系。其中横坐标Collector Cell Length为集电极元胞长度LC,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Vc,纵坐标Colector Current为集电极电流Ic,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VF,纵坐标Turn-Off Lose为关断损耗EOFF。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
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Lgap;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。
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RCS,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VT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。RCS,con和RCS,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,RCS,new=2.18Ω-cm2,比RCS,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ΔVSB(=VSB-VH,VSB是snapback效应的转折电压,VH是snapback效应发生后的集电极电压最小值)与集电极元胞长度LC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Lgap(见图1)为4μm、12μm、16μm时,可以得出当新结构Lgap=4μm时,ΔVSB=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。