具有高K背柵的無電壓回跳RC?IGBT靜態特性研究

摘" 要： 針對傳統RC?IGBT導通壓降大、擊穿電壓低等問題，提出一種具有高介電常數（高K）背柵的RC?IGBT器件結構，其特點是位于底部集電極的背柵介質采用高介電常數材料。高K介質增大了正向導通時背柵周圍的空穴濃度，不僅消除了電壓回跳，還降低了導通壓降。仿真結果表明：在高正向導通電流密度下（ICE=925 A/cm2），高K背柵RC?IGBT的導通壓降為1.71 V，相比傳統RC?IGBT降低了19.34%，相比氧化層背柵RC?IGBT降低了13.20%；另一方面，在阻斷狀態下，高K介質增強了背柵周圍的電子積累，增大了擊穿電壓。高K背柵RC?IGBT的擊穿電壓為1 312 V，相較于氧化層背柵RC?IGBT提高了44.18%。此外，高K背柵RC?IGBT的反向導通壓降相比傳統RC?IGBT降低了43.43%，相比氧化層背柵RC?IGBT降低了13.85%。將所提出的高K背柵的RC?IGBT應用于高壓、大功率的電子電力系統，可提高系統的可靠性并降低損耗。

關鍵詞： RC?IGBT； 電壓回跳； 高介電常數； 背柵； 導通壓降； 阻斷特性

中圖分類號： TN322.8?34" " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2025）04?0034?06

Research on static characteristics of snapback?free RC?IGBT with high K back gate

WANG Nan， XU Yonggen， HU Xiarong

（School of Science， Xihua University， Chengdu 610039， China）

Abstract： In allusion to the problem of high on?state voltage drop （Von） and the low breakdown voltage， a high permittivity （high K） back gate reverse conducting insulated gate bipolar transistor （HK?BG?RC?IGBT） device structure is proposed. Its characteristic is that the back gate dielectric located at the bottom collector is filled with HK. The HK dielectric increases the hole concentration around the back gate during the forward conduction， which not only eliminates the snapback?free， but also reduces Von. The simulation results show that， at high forward conduction current density （ICE=925 A/cm2）， the Von of HK?BG?RC?IGBT is 1.71 V， which is 19.34% lower than that of the conventional RC?IGBT （C?RC?IGBT） and 13.20% lower than that of OXIde back gate RC?IGBT （OXI?BG?RC?IGBT）. The HK dielectric enhances the electron accumulation around the BG in the blocking state， resulting in an increased breakdown voltage. The simulation results show that the breakdown voltage of the HK?BG?RC?IGBT is 1 312 V， which is increased by 44.18% compared with OXI?BG?RC?IGBT. In addition， the reverse Von of the HK?BG?RC?IGBT is reduced respectively by 13.85% and 43.43% compared with OXI?BG?RC?IGBT and C?RC?IGBT. Applying the proposed HK?BG?RC?IGBT to high?voltage and high?power electronic power systems can enhance the system reliability and reduce the loss.

Keywords：" RC?IGBT; snapback?free; high permittivity （high K）; back gate; on?state voltage drop; blocking state

0" 引" 言

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）因兼有場效應晶體管易驅動和雙極型三極管導通壓降低、電流密度大的優點， 被廣泛應用于高壓功率器件[1?3]。從誕生以來，IGBT經歷了穿通型、非穿通型和場截止型的發展歷程，這三種結構都是針對導通特性和關斷特性提出的。但由于IGBT是由MOSFET和BJT組合而成，在器件內部未并聯續流二極管，因此沒有反向導通能力[4?5]。

為了使IGBT具有反向導通能力，節省芯片面積并降低成本和功耗，器件研究者將IGBT與續流二極管反向并聯集成在一起，稱為逆導型IGBT（Reverse Conducting IGBT， RC?IGBT）[6?8]。RC?IGBT將IGBT集電極部分區域替換為N+短路區，雖然實現了逆向導通，降低了寄生電阻，但在正向導通時，器件由單極型導通切換到雙極型導通模式，造成了電壓回跳[9?11]，不僅增大了器件的導通損耗，也不利于串并聯應用。因此，抑制電壓回跳在RC?IGBT中尤為重要[12]。

近年來，器件研究者提出了許多新的結構，包括浮動P層RC?IGBT、交替N+/P緩沖區RC?IGBT、SJ RC?IGBT以及背柵RC?IGBT等[13?15]。其中，背柵RC?IGBT通過底部集電極處MIS（金屬?絕緣體?半導體）結構增強了電子濃度和空穴濃度，不僅消除了電壓回跳，也更好地優化了器件的導通和阻斷特性，因此受到了廣泛關注[16?19]。高介電常數材料因其可增強漂移區的輔助耗盡并降低介質層最大電場，在硅基和碳化硅基功率器件中得到了廣泛應用[20?22]。

本文提出一種具有高介電常數（高K）背柵的RC?IGBT結構，首次將高K介質應用在功率器件的背柵，進一步增強了正向導通時集電極處的空穴積累和阻斷時的電子濃度，相對于氧化層介質，降低了導通壓降，提升了擊穿電壓。本文重點研究了高K介質背柵的介電常數、背柵高度以及背柵電壓對RC?IGBT的正向導通、正向阻斷以及反向導通特性的影響，采用Silvaco仿真軟件對器件特性進行了分析和討論，所得結論對器件研究具有一定的參考意義。

1" 結構和原理

圖1是本文所提出的具有高K背柵的RC?IGBT結構。該結構有兩個柵極，頂部柵極用來控制器件的導通和關斷；底部柵極（背柵）設置在集電極附近，并施加一個與集電極不同的偏置電壓（二者電壓差為VBC），通過改變VBC的大小來控制載流子在背柵周圍的積累。由于底部柵介質采用高介電常數材料，增強了空穴和電子在背柵周圍的積累效應，從而消除了電壓回跳并優化了器件的導通與阻斷特性。

圖2給出了正向導通時，傳統RC?IGBT（C?RC?IGBT）、氧化層背柵RC?IGBT（OXI?BG?RC?IGBT）以及高K背柵RC?IGBT（HK?BG?RC?IGBT）的空穴濃度分布圖，其中k表示背柵介質的相對介電常數。當VBClt;0時，背柵周圍形成高密度的空穴反型層，構成電子勢壘，提高了集電極電阻，消除了電壓回跳[20]。此外，由于高K介質增強了背柵周圍空穴的積累效應，使得HK?BG?RC?IGBT的空穴濃度大于OXI?BG?RC?IGBT，這不僅進一步消除了電壓回跳，也增大了正向導通電流。

圖3給出了正向阻斷時，C?RC?IGBT、OXI?BG?RC?IGBT以及HK?BG?RC?IGBT的電子濃度分布圖。當VBCgt;0時，背柵周圍形成電子積累層，終止了阻斷時耗盡層的繼續擴展，此處形成的電場尖峰提高了耗盡層的平均電場，增大了擊穿電壓。

通過圖3的二維濃度分布發現，由于高K介質增強了背柵周圍電子的積累，使得HK?BG?RC?IGBT的電子濃度大于OXI?BG?RC?IGBT，從而在等效緩沖層邊界處具備更大的電場尖峰，提高了器件的阻斷電壓。

圖4給出了反向導通時，C?RC?IGBT、OXI?BG?RC?IGBT以及HK?BG?RC?IGBT的電子濃度分布圖。反向導通時，VECgt;0，VG=0，此時VBCgt;0，背柵周圍積累大量電子，降低了PIN二極管的勢壘高度，提高了反向導通時載流子的注入效率，從而提高了反向導通電流。通過圖4的二維濃度分布發現，由于高K介質增強了背柵周圍電子的積累效應，使得HK?BG?RC?IGBT的電子濃度大于OXI?BG?RC?IGBT，進一步降低了反向導通壓降，也增大了反向導通電流。

2" 結果與討論

本文為了研究背柵對RC?IGBT的正向導通、正向阻斷以及反向導通特性的影響，給出了RC?IGBT器件的關鍵仿真參數，如表1所示。

2.1" 正向導通特性

圖5給出了C?RC?IGBT、OXI?BG?RC?IGBT以及HK?BG?RC?IGBT的正向導通特性對比圖。由于C?RC?IGBT開始在MOS工作模式，在向IGBT工作模式的轉換過程中會產生電壓回跳現象，從圖中可以看出回跳電壓ΔVSB≈0.73 V。

對于HK?BG?RC?IGBT，正向導通時，背柵周圍形成空穴反型層，構成電子勢壘，提高了集電極電阻，消除了電壓回跳。此外，高K介質增強了空穴在背柵周圍的積累，從而增大了漂移區中的載流子濃度，使得正向導通電流提高，導通壓降降低。從圖5可看出，在電流密度為925 A/cm2時，HK?BG?RC?IGBT的正向導通壓降為1.71 V，相對于傳統RC?IGBT降低了19.34%，而相對于OXI?BG?RC?IGBT降低了13.20%。

2.2" 正向阻斷特性

圖6a）給出了OXI?BG?RC?IGBT和HK?BG?RC?IGBT阻斷時的縱向電場分布圖。當器件正向阻斷時，VBCgt;0，背柵周圍會形成一個電子積累層，如圖6a）所示，該積累層作為等效的N型緩沖層，在其邊界處產生了一個新的電場尖峰，提高了擊穿電壓。當k從3.9增大到78時，在背柵邊緣（y=100 μm），電場從5.32 V/μm提高到9.9 V/μm。由于平均電場提高，擊穿電壓增大，由圖6b）可見，HK?BG?RC?IGBT（k=78）的擊穿電壓為1 312 V，相對于OXI?BG?RC?IGBT（k=3.9）的擊穿電壓（910 V）提高了402 V，即44.18%。雖然C?RC?IGBT通過增加N型緩沖層可以使擊穿電壓提高到1 333 V，但是由于正向導通存在電壓回跳現象，限制了其應用。

2.3" 反向導通特性

圖7給出了C?RC?IGBT、OXI?BG?RC?IGBT和HK?BG?RC?IGBT的反向導通I?V特性圖。從圖中可見，當VBC=2 V時，電流密度為-756 A/cm2，HK?BG?RC?IGBT的反向導通壓降為1.12 V，相對于OXI?BG?RC?IGBT降低了13.85%，相對于C?RC?IGBT降低了43.43%。這是因為高K介質增強了背柵周圍的電子積累，從而提高了反向導通電流，降低了反向導通壓降。

圖8研究了背柵高度H對正向導通和正向阻斷特性的影響。在正向導通時，隨著H增大，背柵周圍載流子濃度增大，提高了正向導通電流，降低了正向導通壓降。值得注意的是，當Hlt;6 μm時，背柵周圍尚未形成足夠的空穴反型，故仍然存在電壓回跳現象。在正向阻斷時，擊穿電壓隨著H的增大而先增大后降低。當H較小時，背柵周圍不能積累足夠的電子；當H較大時，隨著H的增大，有效漂移區長度減小，擊穿電壓緩慢降低。為了兼顧正向壓降和阻斷電壓，背柵高度取H=8 μm作為最優值。

圖9給出了偏置電壓VBC對器件正向導通和阻斷特性的影響。背柵周圍的空穴濃度隨著[VBC]的增加而增大，正向電流增大，導通壓降降低。由圖9還可知：在正向阻斷時，較小的VBC不能在背柵周圍積累足夠的電子，沒有形成等效N型緩沖層，導致擊穿電壓降低；當VBC較大時，等效緩沖層形成，擊穿電壓受到VBC的影響較小。

3" 結" 論

本文提出了一種具有高介電常數背柵的RC?IGBT器件結構，高K介質增強了背柵周圍電子和空穴的積累，降低了器件的正向導通壓降，提高了擊穿電壓。仿真結果表明，高K背柵RC?IGBT的導通壓降相對于傳統RC?IGBT降低了19.34%，相對于氧化層背柵RC?IGBT降低了13.20%。高K背柵RC?IGBT的擊穿電壓相較于氧化層背柵RC?IGBT提高了44.18%。此外，高K背柵RC?IGBT的反向導通壓降相對于傳統RC?IGBT降低了43.43%，相對于氧化層背柵RC?IGBT降低了13.85%。

注：本文通訊作者為胡夏融。

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作者簡介：王" 楠（1999—），女，天津人，在讀碩士研究生，研究方向為硅基及碳化硅基高壓MOSFET、IGBT功率器件設計。

徐勇根（1983—），男，四川成都人，博士研究生，教授，研究方向為激光傳輸與激光雷達。

胡夏融（1984—），男，四川成都人，博士研究生，講師，研究方向為功率半導體器件及集成電路設計。