抑制或消除RC-IGBT 回跳现象的技术发展概述

杨 贺

(国家知识产权局专利局电学部,北京 102200)

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)是由绝缘栅场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)和双极型结型晶体管(Bipolar Junction Transistor,BJT)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET 的高输入阻抗和BJT 的低导通压降,具有驱动功率小、开关速度快、载流密度大、饱和压降低、热稳定性好等优点[1-2]。自1982 年被发明以来,IGBT 作为高频功率开关器件,被广泛应用于家用电器、新能源汽车、开关电源、牵引传动、光伏发电、智能电网等领域[3-7]。目前,IGBT 已经成为世界上高频开关的主流器件,被称作电力电子行业的“CPU”。经过四十年的发展,IGBT 器件已经历过数代技术革命,各种新结构和衍生器件层出迭见[8]。

逆导型IGBT(Reverse Conducting IGBT,以下简称RC-IGBT)是一种新型IGBT 器件,这一概念最早于1988 年提出[9],在2000 年后开始有产品形成。它是将传统的IGBT 与快速恢复二极管(Fast Recovery Diode,FRD)集成于一个芯片,不需要额外的反串联电路,即可实现电流泄放[10]。相对传统IGBT 器件,RC-IGBT 在制作成本和器件体积上具有明显优势,使得RC-IGBT 成为各大厂商研究的焦点。

2004 年日本三菱公司基于当时最先进的Trench-FS-IGBT 工艺制造出了1200 V RC-IGBT,研究了RC-IGBT 工作在IGBT 模式下的开启与关断特性以及在二极管模式下的反向恢复性能,并详细研究了p+集电极区宽度对电压折回以及正、反向导通电压的影响。英飞凌(Infineon)是最早推出产品的公司之一,先后于2003 年、2007 年前后和2010 年之后陆续推出3 代产品,2010 年英飞凌首次推出应用于低压低功率场合的RC-IGBT。飞兆半导体(Fairchild)于2010 年和2013年推出2 代产品。以上产品主要定位在中低压家电领域(额定电压600～1600 V)。在中高压领域,2012 年ABB 研制出了3300 V BIGT HiPak 产品,将传统IGBT与RC-IGBT 单片集成在一起,是业内首次推出的大功率RC-IGBT 产品,BIGT 结构能够更好地消除RCIGBT 固有的负阻效应[11-12]。之后,富士电机、东芝等著名半导体公司也相继推出了自己的RC-IGBT 产品。截至目前,我国对RC-IGBT 的研究多停留在实验研究阶段,尚未有成熟产品出现。

本文通过对RC-IGBT 领域的国内外专利申请进行整理、分析,针对RC-IGBT 最典型的技术问题——器件开启初期固有的回跳现象,具体介绍了抑制或消除RC-IGBT 器件回跳问题的五个主要技术分支,并展示了相应的典型器件结构、工作原理和技术效果,为完全消除RC-IGBT 的回跳问题以提升器件整体性能指明了技术发展方向。

1 RC-IGBT 原理

1.1 结构及优点

RC-IGBT 的原理性结构如图1 所示。通过对比发现,RC-IGBT 的区别在于集电极引入了N+短路区,从而在内部形成了类似二极管的结构。RC-IGBT 就等效于IGBT 与快速恢复二极管(FRD)反并联,提供了一个紧凑的电流泄放电路。当IGBT 在承受反压时,二极管导通;在关断时,RC-IGBT 为漂移区过剩载流子提供一条快速有效的泄放通道,缩短了关断时间。

图1 (a)传统IGBT 与(b)RC-IGBT 结构示意图Fig.1 Schematic diagrams of (a)traditional IGBT and(b)RC-IGBT

相较于传统的IGBT,RC-IGBT 不仅节省了芯片面积、封装、测试费用,降低了成本,而且具有简单的驱动电路、低损耗、耐高压、良好的安全工作区(SOA)特性、正温度系数、良好的软关断特性、短路特性以及良好的功率循环特性等优点。

1.2 RC-IGBT 的回跳问题

RC-IGBT 在拥有众多优点的同时,也存在一些问题,其中,最典型的问题是回跳(Snap-Back)现象[12]。在RC-IGBT 正向导通初期,电流密度很小,只有电子参与导电,器件处于单极型导电的情况,相当于工作在MOS 模式下。当电流增大到某一临界值时,电子在N+场截止层内横向流动至N+短路区所形成的自偏置效应使P+集电区处的背PN 结充分正偏,P+集电区就会向N-漂移区进行空穴注入,N-漂移区中的电子和空穴共同作用产生电导调制效应,此时器件进入双极型导电的情况,工作在IGBT 模式下。RC-IGBT 在导通过程中由单极型导电转换到双极型导电时,会出现VCE 较大幅度下降而电流密度继续增加的现象,在输出特性曲线上就会出现一个负阻区,这就是回跳现象。图2 给出了典型的RC-IGBT 的I-V曲线图,当器件刚开始由MOS 转换到IGBT 模式时,发生初级回跳现象,后面的次级回跳是由于实际的芯片内部包含多个元胞,不同元胞进入电导调制状态的先后不一致,会出现一系列的次级回跳。回跳现象的存在会导致器件在导通初期具有较大的导通压降,增加了器件的导通损耗;在多芯片并联使用时,这一效应会带来动态电流分配不均的问题;另外,回跳现象所引起的较大电压变化率还会影响器件的稳定性,使器件容易发生失效。

图2 RC-IGBT 的回跳现象[12]Fig.2 Snap-back phenomenon of RC-IGBT[12]

2 RC-IGBT 回跳问题的解决

在RC-IGBT 研究中,如何抑制或消除器件开启初期固有的回跳现象是RC-IGBT 器件领域的研究焦点和技术关键。RC-IGBT 与传统IGBT 的不同之处在于阳极结构,阳极结构设计直接决定了器件整体性能,尤其对消除回跳现象至关重要。这就使得阳极结构设计成为一项关键技术,进而成为RC-IGBT 专利技术储备的主流。

目前来说,RC-IGBT 回跳问题的解决方法主要包括五大技术分支(即五类常用方法):引导IGBT 区法、阻断电子电流法、强化集电极短路电阻法、超结结构法、绝缘分离法。图3 给出了关于抑制或消除RCIGBT 电压回跳现象5 类常用方法的专利年申请量分布。

图3 抑制或消除RC-IGBT 电压回跳现象5 类常用方法的专利年申请量分布Fig.3 Annual patent application distribution of 5 common methods for suppressing or eliminating RC-IGBT voltage snap-back phenomenon

早在2009 年,ABB 技术有限公司[13]通过设置引导IGBT 区来避免RC-IGBT 在导通状态模式下发生回跳现象,这是首次通过设置集电极端结构来实现RCIGBT 回跳现象抑制的专利申请。之后在RC-IGBT 中设置引导IGBT 区的研究大都集中在对器件背侧各区域版图样式的设计[14-18]。虽然引导IGBT 区法不能完全消除RC-IGBT 的回跳现象,但由于器件结构简单且兼容性好,已经被普遍应用于实际的产品生产中。

阻断电子电流法相关的专利申请也比较多[19-21],这一方法是利用P 型阻挡层将N+短路区与漂移区或场截止区隔离开,阻断了正向开启时电子电流流向N+短路区,起到电子势垒的作用。最开始简单引入P 型阻挡层的结构对P 型阻挡层的厚度和掺杂浓度要求很高,近年来通过辅以介质槽[20]或集电极栅极[21]能够实现RC-IGBT 回跳现象的完全消除。

强化集电极短路电阻法是专利申请量最多的一种[22-25],主要包括减小N+短路区的有效面积、增大集电极和N+短路区之间的电阻。这一方法不但能够抑制甚至消除电压回跳现象,并且还能够提升开关速度、增强器件的稳定性。强化集电极短路电阻法相关专利申请量很大的原因跟其可实现结构多样性有关。

超结结构法[26-27]是通过在漂移区形成超结或半超结结构来降低漂移区电阻,以此来降低导电模式转换时的导通压降变化率。超结结构法是由三菱公司[26]于2012 年首次提出。由于这一方法主要是针对漂移区的设置,使得其可以与其他抑制或消除RC-IGBT 电压回跳现象的方法联合使用,实现更好的器件性能。

绝缘分离法相关的专利在2012-2013 年出现过少量申请[28],主要是用绝缘结构将P+集电区和N+短路区的电势在一定程度上进行隔离,进而使得RC-IGBT器件以更小的电流进入IGBT 模式,抑制了电压回跳现象。在2019 年之后出现了许多新型的绝缘分离方法,例如,将MOS 或FRD 与IGBT 分区块集成的方式[29-30]能够彻底消除电压回跳现象,但器件结构的制造较复杂,使其不利于大规模应用。

3 典型器件举例

下面通过对解决RC-IGBT 回跳问题五类常用方法的专利技术发展脉络进行梳理和总结,从专利案例角度选取典型器件结构,并就其工作原理及技术效果进行具体介绍。

3.1 引导IGBT 区法

2009 年,ABB 技术有限公司的专利申请[13]提出了通过设置引导IGBT 区可避免RC-IGBT 在导通状态模式下发生阶跃恢复效应(即回跳现象)。2013 年,ABB 公司进一步对RC-IGBT 中引导区、逆导区中P+集电区和N+短路区的形状、尺寸、分布、掺杂浓度等进行了设计优化[14]。图4(a)给出了具有引导区的RC-IGBT 的结构示意图,图4(b～d)分别给出了引导区-逆导区平面版图设计的示例,其中22 为引导区。由于引导区中不存在N+短路区,器件集电极端存在大面积的P+引导区,导通初期在P+引导区上方的自偏压效应非常明显,促使该区域最先进入双极型导通;随着电流的增大,逆导区P+集电区上方的自偏压增大,进而进入双极型导通,变为IGBT 导通模式。通过优化版图中引导区和逆导区的分布,可以显著抑制回跳现象的发生。引导区可以集中大面积设置,也可以以较小面积均匀设置在芯片背面,形状有放射状、正交状。2014 年,江苏中科君芯科技有限公司通过增加器件在VDMOS 模式时引导区上方电子电流通道的电阻或引导区集电极PN 结内建电势,缩小双模式绝缘栅晶体管的引导区尺寸,从而提高了器件工作时内部电流密度的均匀性,进而提高器件的整体可靠性[15]。另外,英飞凌[16]、中科院微电子所[17]、上海华虹宏力半导体[18]等对具有引导区的RC-IGBT 的背面版图布局进行了进一步优化。

图4 具有引导区的RC-IGBT 的(a)结构示意图及(b～d)引导区-逆导区平面版图设计[14]Fig.4 (a) Schematic diagram and (b-d) pilot region-RC region layout design of RC-IGBT with pilot region[14]

3.2 阻断电子电流法

图5 给出了利用阻断电子电流来消除电压回跳现象的RC-IGBT 的结构示意图。2011 年公开了一项由台湾大中积体电路股份有限公司在美国提出的专利申请[19],如图5(a)所示,其利用在P+集电区和N+柱状短路区的上方增加一个P-薄层,试图阻止在IGBT 正向导通前电子电流流向N+柱状短路区。然而随着P-薄层的增加,器件变成了IGBT 与晶闸管的反并联,为了实现晶闸管在低压下被触发,P-薄层就必须厚度非常薄或者掺杂浓度很低来实现穿通,这样对电子电流的阻挡作用就被大大削弱了,导致不能彻底消除回跳现象。2016 年电子科技大学研发的一种双通道RCIGBT[20],其结构如图5(b)所示,其中,13 为欧姆接触金属,14 为肖特基金属,肖特基金属14 与N 集电区(相当于短路区)之间为肖特基接触。通过器件背面介质沟槽和肖特基接触等结构的引入,在正向偏置时,N 集电区被P 集电区完全屏蔽,使RC-IGBT 器件在正向IGBT 工作模式下完全消除了回跳现象,在反向偏置时,进入二极管续流工作模式,在背部形成双导电通道。2020 年电子科技大学提出了一种消除电压折回现象的RC-LIGBT[21],如图5(c)所示,在集电极侧引入了额外的集电极栅极,在集电极侧形成了一个N沟道MOSFET,该MOSFET 与P 型基区3 在器件内形成了一个与原器件反并联的IGBT,原器件的发射极与集电极分别作为反并联IGBT 的集电极与发射极。

图5 (a～c)具有阻断电子电流设计的RC-IGBT的结构示意图[19-21]Fig.5 (a-c) Schematic diagrams of RC-IGBT with electronic current blocking design[19-21]

3.3 强化集电极短路电阻法

强化集电极短路电阻方法是专利申请量最多的一种,其中,电子科技大学为申请量最多的申请人。图6 给出了几种典型的具有强化集电极短路电阻设计的RC-IGBT 的结构示意图。2012 年电子科技大学通过在N 集电区和N 缓冲层之前引入P 浮空层,使RCIGBT 进入双极模式时的电压远低于常规结构[22]。如图6(a)所示,P 浮空层7 起到电子势垒的作用,减小了N 集电区9 的有效面积,从而大大提高集电极短路电阻,由此抑制回跳效应。2013 年电子科技大学提出了一种具有系列P 浮空埋层的RC-IGBT[23],如图6(b)所示,通过在N 集电区8 上方的N 缓冲层上继续增加一系列的P 浮空埋层,正向导通时抑制甚至是消除了回跳现象。图6(c)所示的纵向RC-IGBT 器件[24]通过在集电极结构中设置具有大阻抗的薄N 型电阻区11,在器件刚开始正向导通时,在较小的电流下就会在薄N 型电阻区11 上产生较大的压降,P+集电区9 与N 型场阻止层8 之间将产生电压差,在极小的电流下就能使两者之间的PN 结导通,从而使器件完成从MOSFET 到IGBT 模式的转换。2019 年公开了另一种抑制电压回折现象的RC-LIGBT 器件[25],如图6(d)所示,通过引入槽型集电极区、P 型埋层区,与部分表面耐压区3 共同形成RC 抑制。在低集电极电压时,P 型埋层和槽型集电极区之间的N 型表面耐压区因耗尽而具有高电阻,使得电子不能通过N 型集电极,从而抑制了电压回折现象。同时,结构中形成的NMOS 结构也会加速关断过程中电子的抽取,使得器件具有更优的导通电阻和关断损耗之间的折中关系。由于实现结构的多样化,关于利用强化集电极短路电阻来抑制回跳现象的专利申请量很大。

图6 (a～d)具有强化集电极短路电阻设计的RC-IGBT的结构示意图[22-25]Fig.6 (a-d) Schematic diagrams of RC-IGBT with enhanced collector short-circuit resistance design[22-25]

3.4 超结结构法

将具有超结结构的漂移层应用于RC-IGBT 领域来抑制回跳现象最早是由三菱公司在2012 年提出来的[26],其结构图如图7(a)所示。利用在漂移区形成超结结构来降低漂移区的电阻,以此来降低单极型导电转变到双极型导电时导通压降的变化率,从而抑制回跳现象。另外,超结结构的引入还可以增加器件耐压、降低导通电压。对于漂移区较厚的高压器件可以采用半超结结构。2014 年东南大学提出了一种RCIGBT[27],如图7(b)所示,通过利用超结结构设置,实现了两个RC-IGBT 反并联,不仅能够改善RCIGBT 的回跳现象,并且提高开关速率和耐压,降低关断损耗。

图7 (a～b)漂移区具有超结结构的RC-IGBT 的结构示意图[26-27]Fig.7 (a-b) Schematic diagrams of RC-IGBT with superjunction structure in drift region[26-27]

3.5 绝缘分离法

图8 给出了利用绝缘分离方法抑制或消除RCIGBT 电压回跳现象的几种典型结构。图8(a)所示的器件[28]主要是用绝缘结构503 将集电区5021 和短路区5022 进行隔离,使得集电区5021 上方缓冲层501 内的电子只能通过位于绝缘结构503 上方的漂移区500 流到短路区5022 上方的缓冲层501,然后进入短路区5022,增加了集电区与短路区之间的电势差,进而使得RC-IGBT 器件以更小的电流进入IGBT 模式,抑制了电压回跳现象。2019 年重庆邮电大学提出了一种具有L 型SiO2隔离层的复合型RC-IGBT 器件[29],如图8(b)所示,利用L 型SiO2隔离层将器件分为LDMOS区和LIGBT 区。正向导通的整个过程由LDMOS 区为主过渡到LDMOS+LIGBT 混合导电模式,并以LIGBT双极性导电模式为主。反向导通时,LDMOS 区可等效为PN 结,LIGBT 区可等效为PNP 结构。器件正向导通过程无回跳现象,且反向工作时具有良好的独立性,还使器件体内的电场分布更加均匀且强度很大。电子科技大学于2020 年提出了一种具有多晶硅耐压层的RC-IGBT[30],如图8(c)所示,在传统RC-IGBT 器件基础上,在表面耐压区和氧化层上方引入多晶硅耐压层构成了一个反并联二极管。在器件正向工作时,由于半导体缓冲层14 和P 型集电极区15 没有短路,所以不会发生传统器件中LDMOS 到LIGBT 模式的转变,彻底消除了电压回折现象,提高了器件电学性能。

图8 (a～c)将集电区与短路区绝缘分离设置的RC-IGBT 的结构示意图[28-30]Fig.8 (a-c) Structure diagrams of RC-IGBT which separates collector region from short circuit region[28-30]

4 结论

RC-IGBT 是现在半导体功率器件技术领域研究的热点,而如何抑制或消除器件开启初期固有的回跳现象是RC-IGBT 器件领域的研究焦点和技术关键。通过对相关专利技术发展脉络进行梳理和总结,RCIGBT 回跳问题的解决方法主要包括五大技术分支:引导IGBT 区法、阻断电子电流法、强化集电极短路电阻法、超结结构法、绝缘分离法,并结合典型器件结构,分析了这五种方法的技术关键、所能达到的技术效果,以及应用情况。其中,引导IGBT 区法由于结构简单且兼容性好,已经被普遍应用于实际的产品生产中;强化集电极短路电阻法由于可实现结构的多样性近年来专利申请量很大;阻断电子电流法相关的专利申请也比较多,通过辅以介质槽或集电极栅极能够实现RC-IGBT 回跳现象的完全消除;绝缘分离法器件结构制造的复杂程度使其目前不利于大规模应用;超结结构法可以与其他抑制或消除RC-IGBT 电压回跳现象的方法联合使用,实现更好的器件性能。在抑制或消除电压回跳现象的同时,能够具有低正向导通压降、低开关损耗、高开关速度、性能稳定,且工艺简单、兼容性好、制作成本低,是目前RC-IGBT 技术发展的方向。目前,RC-IGBT 领域已经进入快速发展期,专利申请的重点已经逐渐由技术研发向技术改进转变。我国虽然在RC-IGBT 技术的研究中占有一席之地,但是主要是以科研为主。面对RC-IGBT 的巨大市场前景,我国应加大RC-IGBT 技术的产学研力度,以缩短与国外生产厂商的科技差距。