本文旨在介绍一种具有高阻断电压和抑制回跳现象的反向导通绝缘栅双极型晶体管设计。该研究由西安邮电大学的尚时光、单志明、陈新凯（通讯作者）和何源共同完成。该论文发表于2024年第四届电子、电路与信息工程国际会议（ECIE），会议论文由IEEE出版。
本研究属于功率半导体器件领域，具体聚焦于硅基绝缘栅双极型晶体管的集成化与性能优化。绝缘栅双极型晶体管结合了金属-氧化物-半导体场效应晶体管的高输入阻抗和双极型晶体管的大电流传导能力，是电力电子系统中的核心开关器件。在实际应用中，IGBT常需反向并联一个快恢复二极管来承载反向电流。传统的解决方案是将IGBT和FRD分别制造后封装在同一模块内，但这会带来体积大、寄生电感高和封装成本高等问题。
反向导通IGBT将IGBT和FRD的功能集成在同一芯片上，有效解决了上述问题，具有成本低、体积小、可靠性高的优势。然而，RC-IGBT的普及受到半导体工艺复杂性及其固有的“回跳”现象的限制。回跳现象是指在器件从二极管模式向IGBT模式转换时，输出特性曲线上出现的电压急剧下降的负阻效应，这可能导致电流分布不均、开关损耗增加，甚至引发器件失效。目前市场主流的RC-IGBT多为650V-1200V的中低电压平面型器件，高电压领域的应用相对受限，且国内在该领域的研究尚处阶段，主要依赖进口。
因此，本研究的目标是通过工艺仿真，设计一款具有高阻断电压并能有效抑制回跳现象的沟槽场截止型RC-IGBT，并系统研究关键工艺参数对器件静态特性的影响，最终提出一组优化的工艺参数组合，以平衡器件的各项性能。
本研究主要采用半导体工艺与器件仿真软件Sentaurus TCAD进行，属于计算机辅助设计与仿真研究，不涉及实际的晶圆流片和实验测试。其核心工作流程可概括为：结构设计、参数化仿真、特性分析、性能折衷与优化。
1. 器件结构与工艺参数定义： 研究者首先基于沟槽场截止IGBT结构，设计了集成了MOS控制二极管、PIN-FRD和场电荷提取结构的RC-IGBT元胞结构。该结构在背面集成了交替排列的P+集电极和N+集电极，以实现正向IGBT功能和反向二极管功能。论文中给出了详细的工艺参数表，这些参数是后续仿真实验的基础。关键参数包括：半元胞间距、芯片厚度、N型衬底电阻率、栅极尺寸、P体区/浮空P区注入、N+发射极注入、P+发射极注入、N型场截止层注入以及背面P+集电极和N+集电极的注入剂量与能量。其中，N+与P+集电极的面积比例设定为7:1。
2. 参数化仿真与静态特性分析： 研究者并未进行单一的器件仿真，而是进行了一系列参数化的仿真实验，系统地探究了关键工艺参数变化对器件各项静态电学特性的影响。这是本研究工作流程的核心部分。具体步骤如下： * 研究对象与变量： 研究的主要“对象”是虚拟的RC-IGBT器件模型。研究的变量是关键的工艺参数，主要包括： * P+集电极的注入剂量。 * N+集电极的注入剂量。 * N型场截止层的注入剂量。 * N型衬底的电阻率。 * N+发射极的注入剂量。 * 仿真实验方法： 使用Sentaurus TCAD软件，在保持其他参数不变的情况下，依次改变上述某一个或一组参数，对器件进行电学特性仿真。仿真的特性包括： * 正向导通特性： 在栅极施加正偏压，扫描集电极电压，获取电流-电压曲线，用于分析回跳电压、饱和压降等。 * 转移特性： 在集电极施加正偏压，扫描栅极电压，获取转移曲线，用于分析阈值电压、亚阈值摆幅等。 * 阻断特性： 将栅极和发射极短路，扫描集电极电压，获取泄漏电流与击穿电压曲线。 * 反向导通特性： 模拟内置FRD的工作状态，扫描反向电压，获取反向导通压降。 * 数据分析流程： 对每组参数下的仿真结果曲线进行对比分析。例如，通过对比不同P+集电极剂量下的正向导通曲线，观察回跳电压和饱和压降的变化趋势；通过对比不同场截止层剂量下的阻断特性曲线，分析其对击穿电压的影响。研究者通过提取曲线中的关键数据点（如回跳起始电压Vsb、回跳后最小电压Vh、击穿电压BV、阈值电压Vth、反向导通压降Vf等），量化评估参数的影响。
3. 性能折衷与参数优化： 在获得大量参数-性能数据后，研究者进行了综合的性能折衷分析。由于器件参数之间往往存在制约关系（例如，降低衬底电阻率有助于抑制回跳但会降低击穿电压），因此需要寻找最优解。研究者绘制了关键性能参数（Vsb， Vce(sat)， Vth， BV， Vf）随P+集电极剂量和场截止层剂量变化的趋势图，直观展示了参数之间的权衡关系。最终，根据“在尽可能减小回跳电压的同时选择最大的击穿电压”的原则，从仿真实验的多个参数组合中，筛选出一组优化的工艺参数方案。
仿真实验产生了丰富的数据，揭示了各工艺参数对RC-IGBT性能的影响机制：
1. 影响导通特性与回跳现象的因素： * 回跳机理： 研究确认了回跳现象源于器件工作模式从单极（仅N+集电极导电）向双极（P+集电极开始注入空穴）的切换。只有当场截止层上的横向压降使P+集电极/场截止层结达到约0.7V的开启电压时，器件才进入IGBT模式，此时电导调制效应导致电压骤降，形成回跳。回跳电压δVsb定义为模式切换起始电压Vsb与切换后稳定电压Vh之差。 * 参数影响： * P+集电极剂量： 增加P+集电极剂量会增强背面的空穴注入补偿，降低P+集电极/场截止层结的开启电压Vc/fs，使IGBT模式提前开启，从而有效抑制回跳（减小Vsb和δVsb）。但过高的剂量会导致器件失去反向导通能力。 * N+集电极剂量： 改变N+集电极剂量对Vc/fs基本无影响，因此对回跳现象影响甚微。 * 衬底电阻率ρ和场截止层剂量： 降低N型漂移区电阻率可以增加其导通压降Vn-，促使集电极提前发生大注入，从而抑制回跳。然而，这需要与器件的耐压能力进行权衡，因为电阻率降低会削弱击穿电压。
2. 影响转移特性的因素： * 降低N+发射极和场截止层的掺杂浓度，可以增强栅极的控制能力，有利于提高关断可靠性。 * 亚阈值摆幅主要取决于栅氧化层和P阱的浓度，集电极掺杂的改变基本不影响阈值电压（约5V），但会导致器件输出过早饱和。
3. 影响阻断特性的因素： * 由于RC-IGBT在集电极增加了N+短路区，其背面形成的N+N-结有助于改善电场分布。仿真结果表明，在相同结构参数下，RC-IGBT的泄漏电流比传统FS-IGBT低近一个数量级，击穿电压提高了近500V，可靠性更强。 * 增加衬底电阻率ρ可以提高击穿电压BV，但如前所述，这又会加剧回跳现象，凸显了参数设计的折衷必要性。
4. 影响反向导通特性的因素： * 内置FRD的开启阈值电压约为0.65-0.7V。当P+集电极掺杂增加时，在200A电流下的正向压降Vf会从1.48V升至1.56V，且当剂量超过1×10¹⁴ cm⁻²时，会丧失反向导电性。 * 由于N+短路区面积较小，反向导通时注入漂移区的电子数量有限，电导调制效应受限，因此其Vf大于常规二极管，但低于普通IGBT的饱和压降。
5. 参数折衷与优化方案： 综合对比分析后，确定器件性能主要受P+集电极和场截止层掺杂的影响。 * P+集电极剂量选择： 图8显示，过高的P+集电极掺杂会使器件失去反向电导。为了在降低回跳电压和保持高击穿电压之间取得平衡，同时考虑采用透明集电极技术来减小关断拖尾电流，研究选择了5×10¹³ cm⁻²的剂量。 * 场截止层剂量选择： 图9显示，场截止层的设计强烈影响阻断能力、泄漏电流等特性。选择4×10¹² cm⁻²的掺杂浓度，可以在保持较小回跳电压的同时，最大化击穿电压。 最终，研究提出了一组优化的工艺参数组合，如表II所示，包括采用更高的衬底电阻率(ρ2)、特定的N+发射极注入剂量(dne3)、场截止层注入剂量(dfs2)、P+集电极注入剂量(dpc3)和N+集电极注入剂量(dnc1)。
本研究通过TCAD仿真，成功设计了一种高阻断电压且抑制了回跳现象的沟槽场截止RC-IGBT。研究引入了Vsb和Vc/fs两个重要数学模型来描述回跳现象的成因，并通过在不同器件结构区域进行仿真实验，系统研究了衬底电阻率、场截止层和集电极掺杂剂量对器件静态特性的影响。通过对实验结果的分析比较，提出了一套能够有效抑制RC-IGBT器件回跳现象的工艺方案。该方案通过优化背面集电极和场截止层的设计，在保证高击穿电压和良好反向导通特性的前提下，显著改善了回跳特性。
本研究还提及了RC-IGBT中引入的浮空P区、MOS控制二极管等结构特征，这些结构有助于平衡有源区电场、降低栅氧底部的电场强度，从而提高器件的可靠性和阻断电压。此外，论文也简要回顾了RC-IGBT技术的发展历程，从日本三菱的早期产品到欧洲ABB的高压模块，为读者提供了该技术领域的背景视野。本研究得到了陕西省重点研发计划项目的支持。