无回弹、低导通损耗的高效反向导通IGBT

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摘要

在先进的反向导通绝缘栅双极晶体管（RCIGBT）中，低导通电压降（V_ce(sat)）和集成二极管正向电压（VF）对于有效减少导通损耗至关重要。尽管扩大RCIGBT中的集成二极管可减小反向导通期间的VF，但由于此类参数间的固有平衡关系，此举也会加剧回弹效应并削弱正向导通性能。本文优化了集成二极管与IGBT的面积比，并在p体区域附近执行了接触注入。实验结果表明，在不影响Vce(sat)的情况下，VF提高了35%。此外，硅电极界面内的接触电阻显著降低，器件的性能也随之提升。

引言

自20世纪70年代末问世以来[1]，绝缘栅双极晶体管（IGBT）已成为广泛应用于中高压电力电子（600V至6.5kV）领域的产品之一[1-3]。近年来，尽管碳化硅（SiC）等先进材料因预示着新一代功率转换器而广受关注，但硅基IGBT因其优异的高开关速度能力、低导通损耗和技术成熟度，仍是用于电压逆变器的主要开关器件。

功率MOSFET自带反并联体二极管来实现反向电流传导，相比之下，传统的IGBT通常需要借助外部的反并联续流二极管（FWD）来传导反向电流。无论是在单独的封装中制造，还是在模块内连接晶片，两种器件都会增加硅、键合和封装相关的额外成本。有鉴于此，如图1所示，通过将IGBT和反并联二极管集成到同一结构中，反向导通IGBT（RCIGBT）便可实现双向导通。其方式是在IGBT的单元结构中引入与P+集电极短接的N+阳极区域。与传统IGBT相比，RCIGBT具备诸多明显优势，如高功率密度、低成本和小体积封装等[4]。

图1. 650V RCIGBT的原理图

如图2所示，RCIGBT中集成二极管的规格和要求因应用而异。例如，在功率因数校正（PFC）和焊接应用中，由于低储备传导需求，使用最小额定值的二极管即可满足需求。二极管主要发挥被动作用，侧重于实现反向过电压保护，而非主动开关。由于对二极管效率的要求较低，用户无需过度关注正向电压（V_F）等参数。而对于感应加热和电机控制应用，V_F则十分关键。由于二极管会主动为IGBT分担工作负载，因此在理想状况下应尽量减小V_F，以减少谐振工作期间的导通损耗。

图2. 针对不同650V RCIGBT应用的特定集成二极管额定值要求

尽管具备一定的优势，但RCIGBT易导致电压折返，即所谓的回弹效应[5-6]。因此，在正向导通期间存在相对较高的导通状态电压降（V_ce(sat)）。近期，研究人员报道了许多抑制回弹的方法，但关于反向导通期间二极管特性的研究少之又少。此外，RCIGBT还需考虑VF和V_ce(sat)之间的平衡[7]。因此，为同时满足低Vce(sat)和VF并消除回弹现象，本文优化了集成二极管与IGBT的面积比，并通过硼（B+）接触注入来解耦并促进平衡。

实验

图1显示了650V RCIGBT器件的内部结构，其中沟槽深度5.0μm、沟槽间距4.0μm。其独有特征是N+短接与P+集电极区域直接接触。在本实验中，表I总结了固定晶片尺寸下不同集成二极管与IGBT的面积比。

表I. 不同集成二极管与IGBT的面积比

然而，受集成二极管影响，RCIGBT的结构和工艺相当复杂。为解决该问题，本文在接触反应离子蚀刻（RIE）制造后添加了B+接触注入和不同的退火条件，如表II所示。随后，在25°C下栅极-发射极电压（Vge）为15V的正向导通状态下测试V_ce(sat)，同时在反向导通状态下测试V_F。两项测试均通过扫描电压进行，直至电流达到20A为止。

表II. OST接触注入和退火条件

结果和讨论

如图3所示，面积比为1:3.3、1:2.4和1:1.9时，15A二极管电流（ID）下的VF分别为2.09V、1.91V和1.85V。如图4所示，面积比为1:3.3、1:2.4和1:1.9时，15A集电极电流（IC）下的Vce(sat)分别为1.15V、1.16V和1.17V。结果表明，在IGBT导通模式下未观察到回弹效应。

图3. 二极管反向导通时的导通特性

图4. IGBT正向导通时的导通特性

显然，理想情况下需尽可能降低VF，即进一步增加二极管与IGBT的面积比。然而，潜在的回弹现象仍会对此造成阻碍。不同面积比的影响在下文（1）和（2）中得到了进一步的说明[8]：

其中IS代表反向饱和电流；q代表电子电荷（1.602×10-19）；k代表玻尔兹曼常数（1.381×10-23J/k）；T代表绝对温度（开尔文）；AD代表二极管横截面积。

在集成二极管中，IS是由少数载流子从中性区扩散到耗尽区引起的[8]。从（2）可以看出，由于IS与AD成正比，通过将（2）与（1）结合，AD的变化显然会对VF造成影响。由于ID恒定，提高AD尽管会增强IS并降低VF，但也会在无意中触发回弹，这是因为回弹效应只能被抑制而无法被彻底消除[9]。根据结果，我们可以推断出集成二极管与IGBT的理想面积比为1:1.9。此外，为了在不扩大二极管面积并维持RCIGBT晶片尺寸的情况下优化二极管的V_F特性，本文还额外研究了样品的接触注入和退火条件。

图5显示了V_F和Vce(sat)在不同接触注入和退火条件下的表现。800°C和970°C的RIE后退火温度分别使VF提高了300mV和450mV。通过进一步添加B+接触注入，观察到V_F分别显著降低了600mV和650mV。而在IGBT导通模式期间，V_ce(sat)在所有条件下均不存在显著差异。

图5. 不同接触注入后及退火条件下15A时的VF和Vce(sat)

作为一个高度复杂的制造工艺，等离子体RIE被用于通过介电膜形成接触开口，以实现与金属的良好欧姆接触。然而，过量的RIE会损坏接触表面，导致Si-B键断裂并使掺杂剂浅失活至少一个数量级[10]。在此情况下，接触金属界面处的电阻也会增加。在图5中，RIE后退火可重新激活浅掺杂剂，并提高V_F。此外，为实现反向导通损耗较低的高性能RCIGBT，本文还引入了B+接触注入。如图6所示，B+接触注入搭配更高的退火温度，使VF提高了35%。

图6. 经历/未经历接触注入和退火的样品在15A下的V_F和V_ce(sat)比较

我们认为上述改善效果源自掺杂剂的扩散机制，因为较高的退火温度可重新激活更多的掺杂剂。在较低的退火温度下，硅晶格内B+掺杂剂的扩散主要由间隙扩散主导，过程相对缓慢。此时，达到平衡需要耗费更长的时间。相比之下，当退火温度升至970°C时，失活的B+掺杂剂会获得额外的热能来加速平衡态，从而使更多的B+掺杂物被重新激活。不过，关键是要确保退火温度的升幅不能超过限值，以免B+掺杂剂向外扩散。

基于图3和图6的结果，调整集成二极管与IGBT的面积比并不会导致VF的显著变化。相反，驱动VF改善的关键因素是IGBT的体区，特别是在p体附近引入额外的重掺杂B+接触注入。图7显示了接触电阻的测试情况，用于阐明在Si和电极之间添加B+掺杂剂接触注入可能产生的影响。通过添加B+掺杂剂，界面内的接触电阻显著降低，从而增强了通过导电路径的载流子传输。

图7. 不同接触注入后及退火条件下的接触电阻箱线图

结论

本文研究了650V RCIGBT上不同集成二极管与IGBT的面积比，以及不同B+接触注入和退火条件所带来的影响。结果表明，VF与二极管面积比成反比，但进一步扩大二极管面积可能引发更高的回弹风险。据推断，接触RIE后p体区附近的额外B+注入和退火是显著增强RCIGBT器件的主要因素，能够保证较低的正向和反向导通损耗。利用1:1.9的低面积比、额外的B+接触注入以及970°C的退火温度，我们可在维持低V_ce(sat)的同时将VF额外降低35%。

致谢

本文作者感谢Y. C. Yong、D. Adnan、F. Tahir和S. J. Ng提供的器件制造服务，以及T. C. Lee、G. Di-Stefano和S. Amara对研究项目提供的赞助。

参考文献

[1] N. Iwamuro and T. Laska, “IGBT History, State-of-the-Art, and Future Prospects,” IEEE transactions on electron devices, vol. 64, no. 3, pp. 741–752, 2017, doi: 10.1109/TED.2017.2654599.