一种提升反向恢复特性的软恢复二极管的高压RC-IGBT结构

技术领域

本发明属于RC-IGBT器件技术领域，尤其涉及一种提升反向恢复特性的软恢复二极管的高压RC-IGBT结构。

背景技术

IGBT器件经常在感性负载下作为开关使用，所以为了避免感性器件在关断过程中产生较大的能量冲击损坏器件及系统，一般IGBT模块封装时都在IGBT器件反向并联一个续流二极管(Freewheeling Diode,FWD)以提供能量释放的回路。但这种并联的方式会增大模块的尺寸、生产复杂度以及生产成本，显然不符合功率器件高集成、高能量密度、高稳定性的发展需求。而且采用引线将IGBT与续流二极管进行反向并联连接，也会增加系统内的寄生电感、电容，从而引入更多的EMI噪声，影响IGBT模块及系统的可靠性与稳定性。为解决上述问题，内部集成了反并联二极管的反向导通IGBT(RC-IGBT)被提出。

反向导通IGBT(RC-IGBT)通过在IGBT器件背部引入N+集电区作为续流二极管的阴极而以正面的P型发射区作为二极管阳极从而在器件内部集成了续流二极管，但该续流二极管受制于IGBT结构的限制，反向恢复特性较差，限制了RC-IGBT器件在硬开关领域的应用。因此，优化RC-IGBT集成二极管的反向恢复特性是各位专家学者的研究重心。

Matsuoka.Y等人在2016年提出了一种引入肖特基二极管的RC-IGBT结构，如图1所示，该结构的特点是引入了肖特基二极管，因为肖特基二极管的金属阳极不能向半导体材料中注入空穴，且集成二极管的P型与N型区域的掺杂浓度也低于常规型RC-IGBT器件，从而使器件集成二极管阳极与阴极的注入效率得到减弱，以降低集成二极管的反向恢复损耗。

2020年Shinya等人提出的RC-IGBT新型结构引用寿命控制技术来减小载流子寿命的方式降低了RC-IGBT集成二极管的反向恢复损耗，如图2所示，该结构通过离子照射的方式在漂移区中注入He离子以减小载流子寿命，但载流子寿命的减小也会影响器件IGBT的导通压降等性能。

Kenji等人在2021年提出了采用新的栅极电极结构来改善RC-IGBT器件集成二极管的反向恢复损耗，如图3所示，该结构最大的特点在于将集成二极管中与P型发射区相接触部分的栅极氧化物替换为Al电极，将P+型发射区短接以降低载流子注入效率从而有效降低了RC-IGBT集成二极管的反向恢复损耗。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：RC-IGBT由于IGBT与二极管集成在一块衬底上，导致二者的电气特性关联性很强，二者性能存在折中关系，而现有技术大都集中于优化IGBT的性能，这就导致集成二极管的反向恢复特性比较差，很难应用于硬开关环境。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种提升反向恢复特性的软恢复二极管的高压RC-IGBT结构。

本发明是这样实现的，一种提升反向恢复特性的软恢复二极管的高压RC-IGBT结构，所述软恢复二极管的高压RC-IGBT结构根据背面P+集电极区和N+集电极区分为IGBT部分与集成二极管部分；

进一步，集成二极管部分结构从下至上依次放置：N+集电极区、N型场截止、N-漂移区、载流子存储层、P-基区、N+阻断层、P+接触层，同时正面有由多晶硅栅极与栅氧化层组成的沟槽栅结构。

进一步，IGBT部分从下至上依次放置：P+集电极区、N型场截止、N-漂移区、载流子存储层、P型基区、P+发射极区与N+发射极区，同时正面有由多晶硅栅极与栅氧化层组成的沟槽栅结构。

进一步，P-基区的峰值掺杂浓度在1×10

进一步，在集成二极管关断时，P+集电极区向N-漂移区注入空穴，延长了反向恢复过程的下降时间。

本发明的另一目的在于提供一种提升反向恢复特性的软恢复二极管的高压RC-IGBT结构在集成快速软恢复二极管中的应用。

本发明的另一目的在于提供一种制造软恢复二极管的高压RC-IGBT结构的方法，特别适用于高电压和高频率应用，其特征在于，包括以下详细步骤：

使用高纯度硅材料作为基底，以确保器件的高性能和可靠性；

在硅衬底上依次放置N+集电极区、N型场截止区、N-漂移区、载流子存储层、P-基区、N+阻断层、P+接触层，形成集成二极管部分，采用先进的光刻和蚀刻技术确保层结构的精确性；

在同一硅衬底上，另一部分依次放置P+集电极区、N型场截止区、N-漂移区、载流子存储层、P型基区、P+发射极区与N+发射极区，形成IGBT部分，通过精确的掺杂和扩散控制来优化器件的导通特性；

在正面采用高精度的化学气相沉积技术形成由多晶硅栅极和栅氧化层组成的沟槽栅结构，以提高器件的开关速度和减少漏电流。

该方法进一步包括：

在P-基区设置峰值掺杂浓度在1×10^15cm^-3到5×10^16cm^-3范围内，以在集成二极管导通时形成有效的电子抽取通道，减少N-漂移区中的载流子数量；

通过高精度的离子注入和扩散技术，控制P-基区的掺杂浓度，以确保在集成二极管导通时的快速软恢复特性；

对P-基区的掺杂浓度和分布进行精确设计，以实现高效率的电子抽取，优化反向恢复过程。

该方法进一步包括：

对IGBT部分和集成二极管部分进行独立而优化的设计，确保各自的功能最大化，同时提高整体结构的性能；

在集成二极管关断时，精确控制P+集电极区向N-漂移区注入空穴的量，以优化反向恢复过程的下降时间，实现软恢复；

利用先进的掺杂和扩散技术，精确控制空穴的注入过程，以实现快速且平滑的反向恢复特性。

该方法进一步包括：

进行电子器件制造过程中的栅极和氧化层的精确形成，采用最新的半导体制造技术，如原子层沉积(ALD)，以确保沟槽栅结构的质量；

通过高精度的控制技术，优化沟槽栅结构的电气特性，如栅漏电流和阈值电压；

确保高压RC-IGBT结构中沟槽栅结构的均匀性和一致性，以提高器件的可靠性和耐压性能。

本发明提供的方法类权利要求详细描述了软恢复二极管的高压RC-IGBT结构的制造过程，涵盖了从基底准备到高精度层叠加工、掺杂控制以及高性能沟槽栅结构的形成，确保了该结构在实际应用中能够实现高效的导通和快速的反向恢复特性。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一，本发明提供一种集成快速软恢复二极管的RC-IGBT结构，在集成二极管导通时P-基区耗尽，形成电子抽取通道，降低N-漂移区中的载流子数量，使反向恢复过程的上升时间更短，实现二极管快速关断；在集成二极管关断时，P+集电极区向N-漂移区注入空穴，延长了反向恢复过程的下降时间，实现了二极管软关断。同时，集成二极管部分的P+接触层避免了器件在耐压时P-基区的穿通，在保证高耐压特性的前提下，降低了集成二极管反向恢复过程的时间，提高了集成二极管反向恢复的软度。

本发明提出的新型RC-IGBT结构相比传统RC-IGBT结构，集成二极管拥有更快的反向恢复时间与更软的恢复特性，而且新型RC-IGBT结构的耐压与传统RC-IGBT结构的相同，没有耐压方面的劣化问题。

第二，本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本发明使RC-IGBT器件的硬开关应用成为，开拓了IGBT应用市场。

本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：本发明解决了RC-IGBT集成二极管性能差的问题，使RC-IGBT能够应用于硬开关场景。

第三，本发明软恢复二极管的高压RC-IGBT结构带来的显著技术进步主要包括：

1)提升导通效率：

通过在结构中集成快速软恢复二极管，提高了器件在导通状态时的电流密度和效率，特别适用于高电压和高功率应用。

2)快速软恢复特性：

优化的P-基区掺杂使得在集成二极管导通时电子抽取通道形成，有效降低N-漂移区中的载流子数量，使反向恢复过程的上升时间更短，实现了快速软恢复特性。

3)改善恢复软度：

在集成二极管关断时，通过P+集电极区向N-漂移区注入空穴，延长了反向恢复过程的下降时间，提高反向恢复软度。

4)增强器件稳定性：

集成结构的设计优化确保了在高电压和大电流工作条件下的稳定性和可靠性，特别是在长时间运行和高频开关条件下。

5)降低热应力：

通过精确控制载流子的分布和流动，减少了器件在高功率运行时的热应力，延长了器件的使用寿命。

6)提高能效和减少能耗：

结构的优化使得在高效率的同时减少了能耗，特别适用于能源敏感的应用领域，如电力电子和可再生能源系统。

综上所述，本发明软恢复二极管的高压RC-IGBT结构在电流密度提升、快速软恢复特性、开关性能改善、稳定性和热应力降低等方面取得了显著的技术进步，为高电压和大功率应用提供了更高效、更可靠的解决方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术提供的引入肖特基二极管的RC-IGBT结构示意图；

图2是现有技术提供的引用寿命控制技术的RC-IGBT结构示意图；

图3是现有技术提供的新的栅极电极结构示意图；

图4是本发明实施例提供的集成快速软恢复二极管的RC-IGBT结构示意图；

图5是本发明实施例提供的传统RC-IGBT结构示意图；

图6是本发明实施例提供的新型RC-IGBT结构与传统RC-IGBT结构的反向恢复时间对比图；

图中：1、N+集电极区；2、P+集电极区；3、N型场截止；4、N-漂移区；5、载流子存储层；6、P型基区；7、P+发射极区；8、N+发射极区；9、多晶硅栅极；10、栅氧化层；11、P+接触层；12、N+阻断层；13、P-基区。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种提升反向恢复特性的软恢复二极管的高压RC-IGBT结构。

如图4所示，本发明实施例提供的一种提升反向恢复特性的软恢复二极管的高压RC-IGBT结构，所述软恢复二极管的高压RC-IGBT结构根据背面P+集电极区2和N+集电极区1分为IGBT部分与集成二极管部分。

本发明实施例提供的IGBT部分从下至上依次放置：P+集电极区2、N型场截止3、N-漂移区4、载流子存储层5、P型基区6、P+发射极区7与N+发射极区8，同时正面有由多晶硅栅极9与栅氧化层10组成的沟槽栅结构。

本发明实施例提供的集成二极管部分结构从下至上依次放置：N+集电极区1、N型场截止3、N-漂移区4、载流子存储层5、P-基区13、N+阻断层12、P+接触层11，同时正面有由多晶硅栅极9与栅氧化层10组成的沟槽栅结构。

本发明实施例提供的P-基区13的峰值掺杂浓度在1×10

同时，在集成二极管关断时，P+集电极区2向N-漂移区4注入空穴，延长了t

如图5所示，传统RC-IGBT结构与集成快速软恢复二极管的RC-IGBT结构的区别在于：二极管区域的P基区峰值掺杂浓度为5×10

本发明实施例提供的一种具有集成快速软恢复二极管的RC-IGBT结构，拥有更快的反向恢复时间与更软的恢复特性。与对照样进行对比，能明显看出新型RC-IGBT结构具有更短的反向恢复时间，且根据公式S＝t

一种实施方法如下：

第一步，在N-型半导体衬底正面生长一层氧化层，并沉积氮化硅，再掩膜开窗注入N型杂质并推结形成载流子存储层5。

第二步，去除氧化层与氮化硅，在半导体衬底正面外延生长一层P-型衬底，形成P-基区13。

第三步，在半导体衬底背面注入N型杂质并推结形成N型场截止3。

第四步，在半导体衬底正面生长一层氧化层，并沉积氮化硅，再掩膜开窗注入P型杂质并推结形成P型基区6。

第五步，去除氧化层与氮化硅，再生长一层氧化层，并沉积氮化硅，掩膜开窗，然后干法刻蚀出沟槽。

第六步，去除氧化层与氮化硅，而后干氧生长致密的栅氧化层10，沉积多晶硅并掩膜刻蚀多晶硅形成多晶硅栅极9。

第七步，正面生长一层薄氧化层并掩膜开窗注入N型杂质并快速退火，然后更换掩膜板注入P型杂质并快速退火形成N+发射极区8与P+发射极区7，以及N+阻断层12和P+接触层11。

第八步，正面沉积氧化层并掩膜开窗，最后沉积金属引出集电极与栅极。

第九步，背面生长一层薄氧化层，掩膜开窗注入N型杂质，然后更换掩膜板注入P型杂质，最后同时进行快速退火，形成N+集电极区1与P+集电极区2。

第十步，背面沉积金属引出集电极。

本发明提供的提升反向恢复特性的软恢复二极管的高压RC-IGBT(ReverseConducting Insulated Gate Bipolar Transistor)结构的显著技术进步体现在以下几个方面：

1)结构创新：通过将IGBT部分与集成二极管部分相结合，实现了在同一芯片上集成IGBT和快速软恢复二极管的功能。这种结构设计大大提高了组件的紧凑性和效率，同时简化了电路设计。

2)优化的层次结构：在集成二极管部分和IGBT部分的层次结构中，通过精心选择的材料和层次配置(例如N+集电极区、N型场截止、N-漂移区、载流子存储层、P-基区、N+阻断层、P+接触层等)，有效地提升了器件的电气特性，如降低导通损耗和改善开关特性。

3)电子抽取通道：在集成二极管部分，P-基区在导通时耗尽，形成电子抽取通道。这种设计可以减少载流子的积累，从而加快了二极管的关断速度，并且提升了二极管的反向恢复特性。

4)载流子注入机制：在集成二极管关断时，P+集电极区向N-漂移区注入空穴。这种载流子注入机制有助于减缓消除存储在二极管中的电荷，进而实现了快速软恢复特性。

高压RC-IGBT结构通过创新的层次结构设计和载流子管理策略，显著提高了二极管的开关性能和效率，同时减少了功耗和热损耗。这在高频开关应用中尤其重要，如电源转换器、电动汽车和可再生能源系统等领域。

如图6所示，本发明实施例的上升时间t

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。