第二代背栅控制IGBT（BC-IGBT）面向4.5kV级电压范围的研究报告

本文介绍了一项由Takuya Saraya（东京大学生产技术研究所）、Munetoshi Fukui、Yusuke Kobayashi（东芝公司研究开发中心）、Kazuo Ito、Toshihiko Takakura、Shinichi Suzuki、Ryohei Gejo（东芝电子元件及存储装置公司）、Takato Yamamoto、Tatsunori Sakano、Tomoaki Inokuchi、Tomoko Matsudai以及Toshiri Hiramoto（东京大学生产技术研究所）等研究者共同完成的原创性研究成果。该论文发表于《IEEE Transactions on Electron Devices》第73卷第1期，2026年1月，论文标题为《Second-Generation Back-Gate-Controlled IGBT (BC-IGBT) for 4.5kV-Class Voltage Range》，DOI为10.1109/TED.2025.3636114。

在学术背景方面，该研究属于功率半导体器件领域，具体聚焦于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的性能优化。尽管以碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带半导体材料在高耐压和快速开关方面具有显著优势，但硅基IGBT凭借其较低的成本和成熟的技术工艺，在中高压功率市场中仍占据主导地位。传统IGBT的一个主要缺陷在于其基区中载流子的积累导致开关频率相对较低。为突破这一性能限制，研究者们提出了多种多栅极IGBT结构，其中背栅控制IGBT（BC-IGBT）通过在集电极侧引入一个独立控制的子栅极，能够有效改善关断特性并控制安全工作区。第一代BC-IGBT面向3.3kV级电压设计，但其在n源区上方的n-p-n寄生双极晶体管会缩小有效p集电极面积，降低背栅附近的注入效率。本研究旨在通过引入深p层（DP）抑制寄生双极增益，从而提升第二代BC-IGBT在4.5kV级电压范围内的关断损耗（Eoff）降低能力。

研究的工作流程主要分为器件设计、TCAD仿真和实验验证三个阶段。在器件设计阶段，研究团队在第二代BC-IGBT中于n源区上方选择性地添加了深p层。该深p层的作用是在导通模式下有效扩展p集电极的有效面积，同时避免整个集电极区域内p集电极剂量的不必要增加。器件采用了非对称结构，正面为沟槽栅，背面为平面栅，正背栅极密度比为4:1或2:1。在TCAD仿真阶段，使用混合模式TCAD仿真工具，按照图4所示的电路配置对开关特性进行了模拟。仿真中背栅时序（∆t）从+15µs变化至−50µs，其中足够大的正∆t对应背栅始终关闭的情况，等效于传统IGBT。仿真结果显示，在2800V和80A/cm²的开关条件下，带有深p层的器件实现了−23.5%的Eoff降低，而无深p层的器件仅为−18.3%。通过分析背侧载流子分布发现，在背栅开启条件下，无深p层器件远离背栅区域的剩余载流子密度远高于有深p层器件，这解释了Eoff降低程度的差异。在实验验证阶段，研究团队实际制作了栅极比为4:1和2:1的第二代BC-IGBT器件。结构参数对比表明，主栅（正面）设计在两代器件中保持一致，第二代器件通过改变晶圆厚度、n基区掺杂并添加深p层来适应4.5kV级电压要求。静态特性测试包括阻断电压、导通压降和背栅对静态特性的影响；开关特性测试则通过图4所示电路进行，正面主栅电压在±15V之间切换，背面子栅电压在±5V之间切换，关断电流密度为60A/cm²，集电极电压为1800V。

研究的主要结果表明，第二代BC-IGBT成功实现了4500V的阻断电压，而在80A/cm²（第一代）和60A/cm²（第二代）电流密度下，两代器件的饱和压降（Vcesat）均约为2.3V。背栅控制对静态特性的影响显著：当背栅关闭时，器件呈现正常的导通特性；但当背栅开启时，由于抑制了n基区/p集电极结处的电子积累和空穴注入，器件无法进入低电阻导通状态，只能流过由n基区电阻和两个MOS栅共同决定的电流。在开关特性方面，典型的关断波形显示，通过使背栅提前于正栅开启，可以明显降低拖尾电流。第二代BC-IGBT的拖尾电流降低幅度高于第一代，验证了TCAD仿真的预期。归一化的Eoff降低率随∆t变化曲线表明，在∆t为−40µs时，第二代器件的Eoff降低率达到第一代的1.5倍以上。栅极比从4:1变为2:1对Eoff降低的影响并不显著，说明4:1的栅极密度在Eoff降低方面已经足够。在实际应用分析中，研究考虑了背栅控制期间导通损耗的增加（∆Econd）以及脉宽调制控制对∆t时序的限制，发现Eoff与∆Econd之和在∆t约为−40µs时达到最小值，且∆Econd的贡献相对较小。此外，研究还在100°C高温下验证了背栅控制的有效性，结果表明第二代BC-IGBT在高温下仍保持远高于第一代的Eoff降低率。

本研究的结论强调，通过添加深p层抑制n源区上方的寄生n-p-n双极增益，第二代BC-IGBT在4.5kV级电压范围内实现了显著的Eoff降低。在宽电压和电流范围内，Eoff降低率的提升幅度超过1.5倍，与TCAD仿真结果一致。该研究的科学价值在于揭示了背栅控制中寄生双极效应对载流子注入效率的影响机制，并通过深p层设计有效抑制了该效应。在应用价值方面，第二代BC-IGBT为高压高频功率电子应用提供了实用的器件解决方案，其灵活的栅极比设计使其能够适应不同的应用需求，包括双向工作模式。研究亮点在于：首次在4.5kV级BC-IGBT中引入深p层并验证其对Eoff-Vcesat折中关系的改善效果；系统性地分析了正背栅极比、开关电压、电流密度和温度对Eoff降低率的影响；通过归一化方法实现了不同电压等级器件之间的公平比较。