一种具有阳极NPN的Si/SiC异质结IGBT结构

黄 洪, 李 琦, 党天宝, 王 磊, 姜焱彬

(桂林电子科技大学 信息与通信学院, 广西 桂林 541004)

绝缘栅型双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,简称IGBT)是一种广泛应用于高压变压器、电机、高压开关电源等方向的功率半导体器件。因IGBT器件的大电流、大功率的特点,使其存在一定的缺陷,制约了IGBT器件的发展。其中衡量器件主要的性能指标是导通压降和关断损耗。IGBT器件内部存在的电导调制效应,可使得器件拥有极低的导通压降,但关断时刻漂移区内部的非平衡载流子造成过长的关断电流拖尾,增大了器件的关断损耗。2种特性互为矛盾关系,制约了IGBT的发展[1-2]。

目前,IGBT器件的研究方向主要集中在降低关断损耗与降低导通压降之间找到折衷。场截止技术(field stop IGBT)提高了器件的耐压特性[3],增强了器件内部电导调制效应,可得到较为理想的器件特性。为了降低器件的关断时间,器件阳极端引入PMOS、NMOS、NPN三极管结构[4-6],此种类型的器件在关断时抽取非平衡载流子,为载流子提供一条抽取通道,降低关断时间。Kudoh等[7]提出的异质结技术减少了器件空穴注入效率,利用Si/SiGe异质结的能带差,关断时把阳极附近的空穴抽出,降低损耗。何逸涛等[8]提出一种槽栅载流子存储结构,提升了器件内部载流子注入,存储在栅极下的载流子降低了器件的导通压降,提升了器件的输出特性,且降低了关断时间,提升了导通压降与关断损耗之间的折衷关系。

随着半导体材料不断发展,第三代半导体材料逐渐兴起,SiC为典型的第三代半导体材料[9]。相对于Si材料,SiC具有宽禁带、高击穿电场、抗辐射、高电子饱和漂移率、高导热性等特点,逐渐成为主流的功率器件材料。近年来,SiC IGBT成为功率器件领域的关键器件[10-11],尤其耐压等级在10 kV以上。随着半导体工艺的不断成熟,Si/SiC异质结IGBT器件被提出[12-13],利用SiC材料的优势,提升器件耐压与散热特性。在Si/SiC异质结的理论成熟后,段宝兴等[14-16]提出一种基于Si/SiC异质结的击穿点转移技术,通过在SiC基上键合上Si,使得本应该在Si材料下的击穿点转移到SiC上,提升了器件的耐压特性,此技术可以在多种类型的半导体器件下应用[17-18]。英国华威大学的Chan等[19-21]将RESURF技术应用在LDMOS上,在SiC上键合Si,在抗辐照、耐高温、高耐压等方面得到很大提升。近年来研究人员不断利用Si/SiC异质结优化IGBT上的导通压降与关断损耗之间的关系。LI等[22]提出一种超结Si/SiC异质结IGBT结构,压缩电流路径,使漂移区内载流子注入效率不变,导通压降下降,且关断电流不会流向P型区域,规划关断电流的路径,降低关断时间,提升了导通压降与关断损耗的折衷。Zhang等[23]提出一种阳极Si/SiC异质结结构,消除RC-IGBT的Snap-Back现象,并保持导通压降基本不变,且提供一条载流子抽取路径,以降低关断损耗。

鉴于此,提出一种具有阳极NPN结构的Si/SiC异质结IGBT器件,该结构利用阳极Si/SiC异质结。Si材料中掺杂形成NPN三极管,通过仿真表明,利用Si/SiC异质结,调节阳极端NPN的参数,能有效降低器件的关断时间,并找到关断损耗(Eoff)和导通压降(Von)的折衷。

1 器件结构与机理

图1为具有阳极NPN的Si/SiC异质结IGBT(Si/SiC Heterojunction,SSH-IGBT)结构示意图。器件缓冲层(NBuffer),阳极(PAnode),漂移区(Ndrift)为SiC材料,NPN区域为Si材料。器件的Si/SiC异质结存在于NPN中Nn1层与缓冲层边界,利用氧化层隔绝SiC阳极和NPN区域。

现实中,Si/SiC形成的异质结中的界面处存在晶格失配的情况。近年来,Si/SiC异质结的研究中发现克服晶格失配问题的解决方法,在SiC衬底上直接键合Si材料[24],得到光滑的高质量的电气界面。表1为器件仿真参数设置,使用Sentaurus TCAD仿真软件进行模拟,物理模型包括Auger,Shockley-Read-Hall,HighFieldSaturation,DopingDependence,Avalanche(OkutoCrowell)等。

表1 器件仿真参数设置

在传统SiC-IGBT器件上,阳极端引入NPN并掺杂形成SNPN-IGBT。图2为AA'切线处SSHIGBT与SNPN-IGBT两种器件阳极端形成的能带对比。从图2可看出,SSH-IGBT与SNPN-IGBT器件相比,Si/SiC异质结价带能带能级更高,产生大于SNPN-IGBT的价带势垒,在关断时,此势垒可将阳极端附近空穴抽取出漂移区,降低关断时间。器件导通时,因为Si/SiC异质结价带阻碍一部分空穴注入漂移区,空穴的注入效率减小。

图2 SNPN-IGBT与SSH-IGBT在AA'处的能带图对比

图3为器件导通时空穴浓度分布,SiC-IGBT在LSiC=100 μm附近存在8×1017cm-3的空穴浓度,与SNPN-IGBT和SSH-IGBT相比,空穴浓度降低为6×1017cm-3。在LSiC=102 μm处SSH-IGBT存在极低的空穴浓度,说明Si/SiC异质结并未使大量空穴注入,降低了器件空穴注入效率。器件导通时,因为NPN区域牺牲了一部分的注入面积,且Si/SiC异质结阻碍一部分空穴注入,所以SSH-IGBT的空穴注入效率相比于其它2种器件有明显下降,器件导通压降有所提高。

图3 器件导通时空穴浓度分布

器件关断时,SNPN-IGBT在LSiC为102～104 μm处存在价带的势垒,势垒把NPN区附近的空穴扫进阳极端,堆积起来,减小关断时间。图4为器件关断后空穴浓度分布,SSH-IGBT的空穴浓度远大于SNPN-IGBT,SSH-IGBT在LSiC=102 μm处的价带势垒,空穴更容易在关断时把大量的空穴扫入阳极端。在LSiC=104 μm的价带势垒处,漂移区内的非平衡载流子抽离漂移区,周围空穴进入NPN区,降低器件关断时间。

图4 器件关断后空穴浓度分布

2 结果与讨论

图5为器件的输出特性,规定器件电流密度为100 A·cm-2时的电压为导通压降。器件中存在NPN,消除了Snapback现象,阳极端仅有空穴注入。图5中3种器件导通压降分别为4.3、4.6、5.2 V,与其它结构相比,SSH-IGBT导通压降有所升高,因为阳极NPN结构和Si/SiC异质结会牺牲一部分空穴注入,削弱漂移区的电导调制效应。

图5 器件输出特性曲线

图6为3种器件的击穿电压,2种NPN结构中都存在漂移区辅助耗尽效应,击穿电压存在不同程度的增加。图6中的SiC-IGBT的击穿电压小于2种器件,因为NPN区域的存在,当阳极加压时,一部分电场由NPN承担,而引入Si后,漂移区内的一部分电场被阳极附近的SiC承担,使得器件整体的耐压提升。

图6 器件击穿特性曲线

器件通过外接负载电阻电路来仿真器件关断时间,其中栅极电阻RG=5 Ω,阳极电阻RRes=10 Ω。图7为器件电流和电压随关断时间的变化曲线。SiC-IGBT、SNPN-IGBT和SSH-IGBT的关断时间分别为158、116、100 ns。器件关断时,阳极加大电压,使得NPN三极管打开,抽取漂移区载流子。从图7可看出,SSH-IGBT的关断时间小于SNPN-IGBT,说明Si/SiC异质结在NPN三极管提升关断特性,SSH-IGBT有更强载流子的抽取能力,降低器件关断时间。

图7 电阻负载下器件关断时间对比

图8为关断时间与导通压降的关系。SSH-IGBT导通压降都高于其它2种器件,但器件关断时间最低。SSH-IGBT结构相较于SiC-IGBT结构的关断时间降低36%,SSH-IGBT结构比SNPN-IGBT结构的关断时间降低13%。虽然导通压降有轻微提升,但SSH-IGBT在电阻负载下的关断时间最低,说明提出的SSH-IGBT结构能够有效降低关断损耗。

图8 关断时间与导通压降的关系

图9为不同WNPN下的导通压降与关断时间的关系,VG=15 V。导通压降随着WNPN增加而上升,关断时间下降。当WNPN=3.0 μm时,SSH-IGBT导通压降为5.8 V,SNPN-IGBT导通压降为5 V,导通压降增大,说明WNPN的长度会影响空穴注入漂移区的效率。随着WNPN的增加,载流子的抽取通道宽度增大,降低关断时间。

图9 不同WNPN长度下的导通压降与关断时间的关系

图10为SSH-IGBT不同Nn1浓度下导通压降与关断时间关系。当WNPN=0.9 μm时,随着Nn1的浓度的提升,导通压降随之降低,关断时间随之升高。因为器件导通压降受NBuffer、PAnode与Nn1的影响,Nn1浓度升高,使得NBuffer与阳极处的空穴注入效率提高,增强了电导调制效应,使导通压降降低。NBuffer与Nn1形成的异质结降低了载流子的抽取效率,使得关断时间增加。在选择Nn1浓度时,需要在导通压降与关断时间中进行折衷,取2条曲线最近的交点,Nn1=1×1019cm-3是折衷导通压降与关断时间的最优选择。

图10 不同Nn1浓度下的关断时间与导通压降

图11为器件在电感负载电路下的关断时间对比。通过分析得出,SNPN-IGBT与SSH-IGBT有相同的WNPN,均为0.9 μm。从图11可看出,电感负载下3种器件的关断时间分别为970、652、20 ns,SSHIGBT的关断时间远小于2种器件。这是因为Si/SiC异质结的存在,价带势垒在关断时刻抽取空穴。因此,在NPN与Si/SiC异质结的结合下,关断特性远优于SNPN-IGBT器件。

图11 电感负载下器件关断时间对比

图12为3种器件关断时刻漂移区的空穴浓度分布对比。在电感负载下的关断电流仿真,WNPN=0.9 μm,在切线为AA'下的截取载流子分布。在T0时刻,因为Si的存在,使得漂移区内的电导调制效应低于传统SiC-IGBT与SNPN-IGBT,漂移区的空穴浓度低。当时间为T1、T2和T3时,空穴不断从阴极排出,此时的漂移区SSH-IGBT器件浓度最低,在阳极附近空穴的浓度降低,与SNPN-IGBT的阳极对比,SSH-IGBT的Si/SiC异质结价带势垒抽取了阳极附近空穴,快速地排出漂移区。在感性负载的情况下,SSH-IGBT关断速度快,可归结为2个因素:相同阳极浓度下,PAnode=1×1019cm-3,SSH-IGBT漂移区电导调制效应低;Si/SiC异质结的存在,快速抽取了阳极附近的空穴。

图13为器件关断损耗与导通压降关系的对比。改变阳极掺杂浓度,得出2种特性的变化关系。从图13可看出,在2种电流密度对比下,存在NPN区域的器件,因为牺牲了一部分注入效率,导通压降明显升高,但SSH-IGBT器件上升更多,因为Si/SiC异质结会阻碍空穴NPN区域中的空穴注入。从关断损耗来看,关断时刻,NPN三极管打开,使得载流子通过NPN排出器件,在200、300 A/cm2电流密度下,相比于传统的SiC-IGBT器件,关断损耗分别下降了85%、79%。因为Si/SiC异质结的存在,当三极管开启,使空穴进入三极管排除器件内部,相当于在原有三极管的基础上,进一步加强了载流子的抽取。相比于传统SiC-IGBT器件,关断损耗分别下降79%、68%,器件导通压降有轻微升高。

图13 电感负载下器件关断损耗对比

3 结束语

为了改善IGBT的导通压降与关断损耗,提出了一种具有阳极NPN的Si/SiC异质结IGBT结构。通过在阳极端部分引入Si材料,并在Si上进行NPN掺杂,形成Si/SiC异质结。在关断时刻,利用异质结价带势垒迅速抽取附近空穴,降低关断时间。仿真结果表明,器件在电阻负载下,SSH-IGBT相对与传统SiC-IGBT结构关断时间降低了36%;器件在电感负载下,关断损耗降低了79%,导通压降略有提升。这表明SSH-IGBT器件在低功耗、高频率、高耐压方面有更大的优势。