[发明专利]一种具有系列P浮空埋层的RC-IGBT

说明书

技术领域

本发明属于半导体功率器件领域，涉及绝缘栅双极性晶体管（insulated-gate bipolar transistor，简称IGBT）。

背景技术

PIN（Positive-Intrinsic Negative）二极管（如图1所示）拥有PN结势垒故能承受很高的反向耐压，具有漏电流小，高温性能稳定等特点。另外在正向导通时其采用双极性导电，在高压等级下具有较低的导通压降和导通损耗，被广泛应用于功率电路领域。特别是随着中高压IGBT的广泛应用，需要一个与之并联起续流、缓冲、吸收等作用的二极管，以通过负载中的无功电流，减少电容的充电时间，同时抑制因负载电流瞬时反向而在器件或模块寄生电感中产生的高电压，使得其需求量进一步增加。由于现代电力电子器件的频率和性能的不断提高，为了使二极管与功率器件的开关过程相匹配，这些二极管必须在具有较低通态压降的基础上具有快速开通和快速关断的能力，即具有短的反向恢复时间trr，较小的反向恢复电流IRM，同时具有软的反向恢复特性。而对于传统PIN二极管由于在其正向导通时漂移区中存在大量的过剩载流子，在关断过程时会造成高的反向恢复电流IRM，另外由于关断过程中耗尽层扩展过快，漂移区中载流子迅速减小，会造成电流的Snap-off现象，同时高的di/dt又带来反恢复电压的波动，继而对整个模块及系统造成一系列的影响。

FCE（Field Charge Extraction）二极管（如图2所示）就是为了改善传统PIN二极管的硬开关特性，通过在N-Collector区内引入一段P+集电极，在关断过程中，P+集电极会进一步向漂移区中注入一部分空穴，以补充漂移区中被迅速抽取的载流子。使得二极管的电流能够缓慢关断，防止过高的di/dt，从而大大提高了二极管的软恢复特性。

CIBH（Controlled Injection of Backside Holes）二极管如图3所示，同样是为了改善传统PIN二极管的硬开关特性，通过在N-buffer区内引入一系列的P浮空层来控制关断过程中背面空穴的注入剂量，达到改善二极管反向恢复特性的目的，这种CIBH二极管通过应用在IGBT单块和模块验证了其优越的性能。

IGBT（Insulate Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）既有MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高的优点，又具有双极型功率晶体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点，所以被广泛应用于电力电子领域，但是IGBT只是一个单向导通器件，在应用的时候需要一个反并联的二极管来承受反向电压，这就增加了IGBT的制造成本，以及带来封装，焊接等难题。2002年E.Napoli等人提出了一种能够反向导通的IGBT称为RC-IGBT，这种RC-IGBT通过在集电极上引入N-集电极的方法实现了IGBT和二极管的集成。传统的RC-IGBT（reverse-conducting insulated-gate bipolar transistor，反向导通绝缘栅双极型晶体管）如图4所示，集电极是由P-Collector和N-Collector组成。但是这种传统RC-IGBT在正向导通的时候会出现一个负阻效应（snapback）。后来M.Rahimo等人为了解决snapback现象又发明了BIGT（Bi-mode Insulated Gate Transistor）如图5所示。该器件在传统RC-IGBT基础上，通过增大原胞面积且将它分为IGBT部分和RC-IGBT部分来解决snapback现象，但是由于大的元胞尺寸(本专利采用600μm进行仿真，若要彻底消除snapback需要2500μm以上)，又会增加关断损耗及带来温度局域过高等可靠性问题，使得器件的综合性能需要进一步得到提高。

发明内容

本发明提出一种具有系列P浮空埋层的RC-IGBT，旨在不影响其他性能参数的同时，一方面在正向导通IGBT模式下时能使RC-IGBT彻底消除snapback现象，另一方面在反向关断二级管模式下使其拥有超软的反向恢复特性。