高性能逆导IGBT技术探究

逆导IGBT（Reverse Conducting IGBT，RC-IGBT）^[49，50]，也被称为短路集电极IGBT（Collector Shorted Type IGBT，SC-IGBT）或短路阳极IGBT（Short An-ode IGBT，SA-IGBT）^[51]，是基于集电极短路技术而开发的集成化结构，当然也可以通过普通IGBT与二极管压接封装而成^[52]。目前主要应用于1200V以下的低压领域。

1.RC-IGBT结构

逆导IGBT（RC-IGBT）的结构是将一个IGBT与pin二极管反并联地集成在一片硅片上，形成一个正、反向都能导通的集成结构，如图5-50所示^[53，54]。RC-IGBT背面由p⁺区和n⁺区组成（相当于短路的集电区），其中n⁺短路区为二极管的阴极区，p⁺区为IGBT的集电区。发射极侧高掺杂的p⁺区是二极管的阳极区，同时也是IGBT的p基区。

RC-IGBT芯片的关键工艺是背面p⁺区及n⁺区的制作，通常采用磷离子（P⁺）注入来实现n⁺区。n⁺区通常为条状分布，条长方向与沟槽栅的方向正交。此外，为了使集成二极管获得良好的反向恢复特性，需采用He⁺辐照对其中的载流子寿命进行局部控制。

图5-50 RC-IGBT结构的组成

2.导通原理

当RC-IGBT两端加正向电压（U_CE＞0）时，RC-IGBT相当于常规IGBT；加反向电压（U_CE＜0）时，RC-IGBT相当于一个二极管。所以，RC-IGBT正、反向均能导通。与常规的IGBT不同，由于RC-IGBT结构采用了短路集电区，在开通初期，电子并不会在n^-漂移区积累，而会通过n⁺短路区流出。所以，RC-IGBT在正向导通时，电导调制效应并不是在很小的电流密度下就能发生，需要延迟一段时间，类似于传统晶闸管用小门极电流触发的情况，由此导致RC-IGBT的I-U特性也会产生类似于晶闸管的负阻现象。下面可用功率MOSFET和IGBT双工作模式来解释。

（1）正向导通 在集-射极间加正向电压U_CE＞0，集成二极管反偏不导通。当栅-射极电压U_GE大于阈值电压U_T（即U_GE＞U_T）时，MOS导电沟道形成，电子从n⁺发射区经沟道进入到n^-漂移区。在正向电压U_CE作用下，电子会垂直地流向集电极。当电子到达FS层后，电子将会从n⁺短路区流出，被集电极收集。此时RC-IGBT工作如同功率MOSFET的单极模式。只有当流过n FS层横向电阻R_nb的电流足够大，引起集电结（即J₁结）注入后，RC-IGBT才会按IGBT的双极模式工作。

图5-51为开通初期RC-IGBT中载流子流动轨迹示意图。可见，在p⁺集电区上方有电子横向流动，会在n FS层电阻R_nb（取决于p⁺集电区的宽度与n FS层的掺杂浓度）上产生一定的电压降U_R。当电子电流密度较小时，U_R较小（＜0.7V），集电结就不会有空穴注入，如图5-51a所示，RC-IGBT按MOSFET模式工作，此时饱和电压很大。随着U_CE增加，电子电流密度增大，R_nb上的压降U_R增加，大于集电结的导通电压（0.7V）时，p⁺集电区向n^-漂移区注入空穴，n^-漂移区开始产生电导调制效应，于是饱和压降大幅下降，如图5-51b所示，此时RC-IGBT进入IGBT的导通模式。

图5-51 RC-IGBT开通初期体内的电流分布示意图

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图5-52 RC-IGBT的I-U特性曲线

在RC-IGBT导通过程中，先经功率MOSFET的导通再转换到IGBT的导通，因此其I-U特性曲线会出现负阻特性。RC-IGBT的I-U特性曲线如图5-52所示^[53]。正向工作时，在很小的电流密度下，RC-IGBT有明显的负阻或回跳（Snapback）现象，类似于转折二极管（BOD）的转折导通特性，且转折电压U_SP低于3V。图5-52b给出了不同的集电极短路区对IGBT通态特性曲线的影响。在相同的电流密度下，与无短路区的IGBT相比，有短路区时IGBT的导通电压明显增大，并且当短路区密度较高时，RC-IGBT的I-U特性曲线有明显的负阻特性。当短路区密度较低时，负阻特性消失，饱和电压下降。并且少子寿命对RC-IGBT导通特性的影响也很大，少子寿命越低，饱和电压越大。

（2）反向导通 在集射极间加反向电压U_CE＜0，集成二极管导通。由于集成二极管的n⁺阴极区面积较小，导致其注入效率下降，体内电导调制效应减弱，因此RC-IGBT反向导通时的正向压降比常规二极管稍大，但比IGBT的饱和电压低。如图5-52a所示，在100A电流下，二极管的正向压降为1.4V，IGBT正向饱和电压U_CEsat为2.1V。

3.RC-IGBT特性

（1）静态特性 图5-53给出了RC-IGBT与NPT-IGBT的导通特性比较。当温度较高或电流较大时，I-U曲线上还会出现一系列小幅的二次回跳现象（图中带○的曲线）。这是因为RC-IGBT内部少数元胞的导通时从MOSFET模式逐渐向IGBT模式转换，二次回跳是因多个元胞转换的一致性不好所致。当多个元胞逐次导通时，有些元胞先进入电导调制状态，然后向周边扩展，其他元胞逐次发生电导调制效应，导致其开通的一致性较差。与NPT-IGBT相比，RC-IGBT的导通特性明显较差，其零温度系数点（即高低温特性曲线交点）的电流也高于NPT-IGBT。并且随温度升高，转折电压及其对应的电流减小。

（2）动态特性 经He²⁺辐照的RC-IG-BT在感性负载下的开通特性与关断特性测试曲线如图5-54a、b所示，RC-IGBT开通时有较高的电流过冲，关断时有较高的电压过冲。RC-IGBT的开通能耗为14.2mJ，关断能耗为8.99mJ。与图5-54c所示的未进行寿命控制的RC-IGBT关断特性相比，拖尾电流小，关断能耗也低，但集射极电压过冲较大。这是由于采用He²⁺辐照进行寿命控制后，RC-IGBT电流下降较快所致。与图5-54d所示的NPT-IGBT关断特性的测试曲线相比，在相同的关断条件下，RC-IGBT拖尾电流远低于NPT-IGBT的，因此关断能耗（为11.2mJ）也低于NPT-IGBT（为15.5mJ）。

图5-53 RC-IGBT与NPT-IGBT的导通特性比较

负阻特性的转折电压及其对应的电流与p⁺集电区尺寸、n⁺短路区尺寸及n FS层参数有关。相对越宽，FS层的掺杂浓度越低，转折电压及其对应的电流越低。为了有效抑制RC-IGBT的负阻现象，通过增加p⁺集电区宽度、降低FS层的掺杂浓度来增加FS层的横向电阻R_nb，使集电结在小电流下就能开通，从而减小转折电压。但是，这些措施很难从根本上消除负阻现象。为了获得与传统IGBT一样的I-U特性曲线，除了考虑n⁺短路区与p⁺集电区版图布局外，需要对结构进行改进，如采用双模式IGBT或超结RC-IGBT结构，以彻底消除负阻现象。

图5-54 感性负载下RC-IGBT的开通和关断特性测试曲线