一种集成MPS快恢复二极管的RC-IGBT器件

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一种集成MPS快恢复二极管的RC-IGBT器件。

背景技术

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极性晶体管)是一种MOSFET电压控制机理以及BJT管双极型导通机理相结合的半导体功率器件，它兼顾两者的优点具有导通压降低、驱动功耗低和工作频率高等优点，被广泛应用于通信技术、新能源设备和各类消费电子领域，是电子电力系统的核心器件。

由于IGBT不具备反向导通能力，因此在实际使用中通常都需要在IGBT旁边并联一个反向的续流二极管以起到保护的作用。早期的IGBT与二极管都是单独封装独立使用，这导致两者的性能不匹配，且在焊接过程中容易引入寄生电感，从而导致IGBT的应用成本增加以及可靠性降低。为了解决这一问题，人们尝试将IGBT与二极管封装到一起，虽然降低各寄生参数但仍然没有实现工艺集成。同时为了进一步提高器件的集成度，降低制造成本，人们开始尝试将起保护作用的续流二极管集成在IGBT的内部，形成了RC-IGBT(Reverse-Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor，逆导型绝缘栅双极型晶体管)。RC-IGBT的出现显著简化了电子电路的拓扑结构，降低寄生参数缩小了芯片面积，但也存在一些不可忽视的缺点。

传统RC-IGBT器件结构中阳极N+区与P+区被阳极电极短接在一起，在器件体内引入了寄生的二极管，拥有反向导通的能力。在器件关断过程中阳极N+区能够直接抽取漂移区内的电子，提高器件的开关速度，降低器件的关断损耗。然而由于阳极N+区的引入，降低了导通状态下空穴的注入效率，从而导致导通压降增大，更严重的是存在Snapback电压回折现象。在导通电流较小的情况下，NMOS注入的电子直接从阳极N+区流出，P+/N-buffer结未导通，器件处于单极型模式，导通电阻较高；随着导通电流的逐渐增大，电子流过P+区下方N-buffer区产生的压降逐渐增大，当压降大于P+/N-buffer结的内建电势后，P+区开始向漂移区注入空穴发生电导调制效应，器件进入双极型模式，电阻大幅降低，造成Snapback现象。这会在电路系统中引入电磁振荡，影响系统的稳定性。其次，续流二极管也会对于IGBT的性能造成影响。对于RC-IGBT内建的续流二极管，其反向恢复性能远不如分立的二极管性能优秀，它的反向恢复性能与正向导通压降二者之间的折中关系更加难以调和。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种集成MPS快恢复二极管的RC-IGBT器件，通过在传统IGBT器件的基础上集成MPS快恢复二极管，在器件反向导通的时候降低器件的反向恢复电荷，提高器件的反向恢复性能，通过改变肖特基金属的功函数优化二极管的导通压降与反向恢复性能的折中关系。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种集成MPS快恢复二极管的RC-IGBT器件，其包括阴极P+区、阴极P-well区、阴极N+区、漂移区、阳极N-buffer区、阳极P+区、阳极N+区、阳极P-well区、阴极MOS氧化层、阴极MOS多晶硅栅极、阴极MPS快恢复二极管和阳极MOS氧化层。

其中，阳极P+区形成于集电极表面；阳极MOS氧化层形成于集电极表面且对称分布在阳极P+区两侧；阳极N+区形成于集电极表面且对称分布在阳极P+区两侧；阳极P-well区形成于阳极N+区表面；阳极N-buffer区覆盖阳极P-well区、阳极MOS氧化层和阳极P+区表面；漂移区形成于阳极N-buffer区表面；阴极P-well区形成于漂移区中；阴极P+区形成于阴极P-well区表面；阴极N+区形成于阴极P-well区表面且分布在阴极P+区两侧；阴极MOS多晶硅栅极形成于漂移区中且对称分布在阴极P-well区两侧；阴极MOS氧化层完全包裹阴极MOS多晶硅栅极；阴极MPS快恢复二极管形成于阴极区。其中，阴极P-well区的两侧各分布有两个被阴极MOS氧化层完全包裹的阴极MOS多晶硅栅极，且两个阴极MOS多晶硅栅极间存在间隙。

可选地，阴极MPS快恢复二极管包括阴极肖特基二极管和阴极普通二极管；其中阴极肖特基二极管分布于阴极P-well区两侧，且位于阴极MOS多晶硅栅极间的间隙中。

阴极肖特基二极管由阴极肖特基电极以及位于阴极MOS多晶硅栅极间隙中的部分漂移区构成。

可选地，阴极肖特基电极的功函数可根据需要进行调整。

可选地，阴极P+区、阴极P-well区、阴极N+区、漂移区、阴极MOS氧化层和阴极MOS多晶硅栅极构成RC-IGBT器件的阴极MOS区，用于控制该器件的开启与关断。

可选地，阳极N+区、阳极P-well区和阳极MOS氧化层构成RC-IGBT器件的阳极MOS区，为该器件提供反向导通能力。

本发明的有益效果在于：本发明在传统的RC-IGBT器件的基础上，在阴极引入内建的肖特基二极管，在阳极引入自偏置的MOS。正向导通时，该器件由于阳极MOS中阳极P-well的存在消除了负阻效应。反向导通时，阳极MOS能够自动开启为器件提供反向导通的通路。其中肖特基二极管与PIN二极管形成了一个MPS快恢复二极管能够同时实现低导通电压与低电荷储存，大大的提高了器件的反向恢复性能，提高了器件的可靠性、易用性以及低功耗的性能。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明实施例1提供的集成MPS快恢复二极管的RC-IGBT器件的结构示意图；

图2为图1所示器件的等效电路图；

图3为实施例1的正向阻断特性图；

图4为实施例1在雪崩击穿状态下的电势分布图；

图5为实施例1在反向导通状态下的电流分布图；

图6为实施例1和传统RC-IGBT器件的反向导通特性对比图；

图7为实施例1和传统RC-IGBT器件的反向恢复特性对比图。

附图标记：1-阴极P+区；2-阴极P-well区；3-阴极N+区；4-阴极肖特基二极管；5-漂移区；6-阳极N-buffer区；7-阳极P+区；8-阳极N+区；9-阳极P-well区；10-阴极MOS氧化层；11-阴极MOS多晶硅栅极；12-阳极MOS氧化层；13-阴极肖特基电极。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，为本发明实施例1提供的一种集成MPS快恢复二极管的RC-IGBT器件，其包括阴极P+区1、阴极P-well区2、阴极N+区3、阴极肖特基二极管4、漂移区5、阳极N-buffer区6、阳极P+区7、阳极N+区8、阳极P-well区9、阴极MOS氧化层10、阴极MOS多晶硅栅极11、阳极MOS氧化层12和阴极肖特基电极13。

其中，阴极P+区1、阴极P-well区2、阴极N+区3、漂移区5、阴极MOS氧化层10、MOS多晶硅栅极11构成阴极MOS区。阴极肖特基二极管与阴极普通二极管组成阴极MPS快恢复二极管，其中阴极肖特基二极管4由位于两个阴极MOS氧化层10间隙之间的漂移区5与阴极肖特基电极13组成。阳极N+区8、阳极P-well区9、阳极N-buffer区6、阳极MOS氧化层12构成阳极MOS区。阳极P+区7和阳极N-buffer区6构成阳极区。

在实施例1器件工作于正向导通的情况下，该器件结构工作状态与普通IGBT一致，其中阴极MOS的栅压逐渐升高，开始向漂移区内注入电子。此时阳极MOS处于关闭状态，阳极P-well区9起到电子势垒层的作用，阻止电子直接通过阳极N+区8流走从而消除了传统RC-IGBT中出现的负阻效应。在反向导通的情况下，随着阴极电压的升高，阳极自偏置的MOS开启为器件提供电子通路。集成于器件内的MPS二极管可以看做是PIN二极管与肖特基二极管的并联组合，在反向导通情况下由肖特基二极管提供主要的电子电流，PIN二极管提供少量的双极性电流。这种独特的工作模式使得器件在较低的反向导通电压下获得良好的反向恢复性能。

本发明采用SENTAURUS仿真软件，对所提出的实施例1的IGBT器件进行性能仿真分析，并进行电学仿真。在仿真过程中，实施例1器件与传统器件的各个仿真参数均一致，其中载流子寿命为10μs，环境温度为300K，仿真结果如图2～图7所示。

如图2所示为实施例1的RC-IGBT器件的等效电路图，其中，IGBT等效于NMOS控制的PNP晶体管；阳极自偏置的MOS管并联在PNP晶体管的基极与集电极上；阴极P+与漂移区等效成的PIN二极管与肖特基二极管相并联在一起，它们组成了一个MPS快恢复二极管。

如图3所示为实施例1在漂移区长度为110μm时的阻断特性对比图。实施例1在漂移区浓度为4.5×10

如图5所示为实施例1在漂移区长度为110μm，浓度为4.5×10

如图6所示为实施例1和传统RC-IGBT的反向导通曲线对比图，由于实施例1工作于MPS模式下，通过相同电流密度的情况下实施例1的反向导通压降比传统RC-IGBT降低15％。

如图7所示为实施例1和传统RC-IGBT的反向恢复性能对比图，相比于传统的RC-IGBT，实施例1的反向恢复峰值电流下降低66％，总反向恢复电荷降低62％。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。