隔离型和隧道型RC-IGBT新结构与耐压设计

摘要

在现代的电力电子系统中IGBT（Insulate-gated Bipolar Transistor）常常需要与反向并联的快恢复二极管（Fast Recovery Diode，简称为FRD）配合使用。因此将FRD与IGBT单片地集成在同一硅片上的逆导型IGBT（Reverse Conducting IGBT，简称为RC-IGBT）近年来得到了国内外的广泛关注。由于单片集成的IGBT和FRD共用同一个结终端，因此RC-IGBT不仅提高了硅片利用率，粘片与引线溅合等封装工艺都得到缩减，所需的封装成本下降，而且单片集成避免了互连引线等的寄生效应，从而可以提高器件的可靠性。然而通常的RC-IGBT还有一些问题有待解决，其中包括易于产生集电极短路导致的 snapback现象和背面图形加工带来的成本的增加和成品率的下降。作为功率器件的RC-IGBT另一重要的特性是承受高的耐压。单光刻版多区结终端扩展技术（Single-Mask Multi-zone Junction Termination Extension，简称为SM-MZJTE）以其硅片的高利用率和低成本在3300 V及以上的高压IGBT中得到应用。然而SM-MZJTE对掺杂剂量、杂质分布的形状以及氧化层电荷等非常敏感，且通常对SM-MZJTE的版图设计都是通过经验或仿真摸索得到的，这不利于缩小设计的周期。
　　本文研究了snapback现象在RC-IGBT从单极工作模式向双极工作模式转换过程中的产生机理，深入探讨了隧道结在不同电压偏置下从隧穿到扩散的导电机理及其独特的双向导电特性，分析了SM-MZJTE杂质分布的特点。提出了旨在通过调节不同电流密度下集电极短路电阻的大小来抑制 snapback和提高关断速度的隔离型 RC-IGBT（涵盖三种新结构）与为避免背面光刻和提高反向恢复特性的隧道型RC-IGBT，建立并实验验证了可以估算所需的掺杂分布或注入剂量的多环模型。其创新点如下：
　　（1）为抑制snapback效应和提高关断速度，提出了隔离型RC-IGBT新结构。首先提出了采用介质隔离的氧化槽集电极RC-IGBT（Oxide Trench Collector RC-IGBT，简称为TRC-IGBT）。该结构在P型集电极和N型集电极（即集成FRD的阴极）之间插入氧化槽以增大集电极短路电阻，从而抑制了开启过程中snapback现象的产生。TRC-IGBT虽然消除了 snapback现象，但其关断特性与传统的RC-IGBT相比不具有优势。为减小关断损耗和关断时间，进一步提出了在N型集电极与漂移区之间引入了P型浮空层的TPRC-IGBT（Trench P-float RC-IGBT）。在snapback现象得到抑制的情况下，该浮空P型层的存在使得TPRC-IGBT具有更小关断损耗。然而该结构中的氧化槽增加了器件的加工难度。为此再进一步提出了采用浮空P型层隔离集电极的FPRC-IGBT（Floating P-region RC-IGBT）。该结构不但降低了器件的工艺难度，而且由于在IGBT关断时提供了新的电子抽取通道使其具有更小的关断损耗。
　　（2）提出了旨在避免背面光刻和提高反向恢复特性的隧道型 RC-IGBT新结构。将具有双向导电特性的隧道结引入 RC-IGBT，从而提出隧道型 RC-IGBT（Tunnel Injection RC-IGBT，简称为TIGT）。正向导通时集电结通过扩散的方式向漂移区注入空穴，反向导通时集电结（隧道结）通过带间隧穿（ Band-to-band Tunneling）向漂移区注入电子。因此器件无需在背面引入N型区域（N-collector）作为集成FRD的阴极，从而制作时无需背面图形加工工艺过程。
　　（3）建立并实验验证了可以估算SM-MZJTE所需的掺杂分布或注入剂量的多环模型。该模型将等势线近似为理想圆弧，依据电荷平衡关系推导出杂质分布或注入窗口密度的解析表达式。依据该表达式并结合相关的物理参数我们可以方便地设计版图。由于SM-MZJTE对掺杂剂量及氧化层电荷等非常敏感，模型中还考虑了结终端离子注入后场氧氧化及其随后高温推进过程中吸硼排磷效应和氧化层电荷的影响，其中氧化层电荷通过 C-V测试得出。实验结果表明依据该模型设计的结终端的平均归一化耐压可达0.92。

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第一章 绪 论

1.1 IGBT的发展

1.2 逆导型IGBT

1.3 结终端技术

1.4 本文的主要工作与创新

第二章 隔离型RC-IGBT

2.1 传统RC-IGBT基本特性

2.2 介质隔离型RC-IGBT

2.3 介质隔离与结隔离型RC-IGBT

2.4 结隔离型RC-IGBT

2.5 本章小结

第三章 隧道型RC-IGBT

3.1 隧道型RC-IGBT的工作原理

3.2 集成二极管的反向恢复特性

3.3 本章小结

第四章 IGBT的耐压设计

4.1 单晶材料设计

4.2 结终端设计

4.3 宽基区p-n-p的放大系数

4.4 实验结果

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果