摘要：
研究新型10kV电压等级的碳化硅场效应晶体管结构,具有碳化硅MOSFET的高频工作特性以及IGBT器件的大电流导通能力。在传统碳化硅MOSFET结构的基础上，在器件底部漏极区加入了间隔式的集电极区。在小电流情况下，电流从漏极区域流通，器件为单极型器件，拥有出色的高频性能。在大电流情况下，集电极区PN结导通，器件开启类IGBT器件的双极型模式，显著降低器件正向导通电阻。
引言
以碳化硅(SiC)、氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料，凭借更大的禁带宽度、更高的临界击穿电场，在电力电子器件领域得到越来越广泛的应用，特别是由于碳化硅材料易于制造垂直型器件，因而在1000V以上高电压等级领域比氮化镓材料更具优势。受限于单极型器件的耐压与导通电阻的近似关系式（RON＝VBR2.5），600V以上电压等级的高压硅基电力电子器件只能采用双极型结构设计，但电导调制效应造成了开关损耗的急剧增加，限制了其高频应用。
对于碳化硅材料来说，凭借其具有将近十倍于硅材料的临界击穿电场强度，更低电阻的外延材料可以被用来制造高压碳化硅器件，即使使用3.3kV电压等级对应规格的碳化硅外延仍然具有较理想的通态电阻，仍然可以采用单极型结构设计，如碳化硅肖特基二极管或者碳化硅MOSFET晶体管。因而同时具备低正向压降和低开关损耗的性能优势。但是在5kV以上的超高电压应用场景（如智能电网、高速机车），碳化硅单极型器件也同样会面临正向导通电阻较高的问题，采用双极型结构设计再次成为优选方案，例如已有报道6.5kVSiCPiN二极管以及SiCIGBT器件[3]。如同硅基双极型器件一样，这一类超高压碳化硅器件的开关频率也会因为存在少数载流子复合而受到限制。
另一方面，由于碳化硅P型衬底比较难以生长且电阻率远大于N型衬底，早期报导SiCIGBT主要是基于N型衬底，即集电极区为N型，外延层为P型，同时为P型沟道，但这种结构由于必须使用负栅压驱动导通，且P型外延层电阻率更大，严重影响SiCIGBT的性能与应用。随着碳化硅材料生长技术的不断发展，目前已可以实现200µm厚度的高品质厚外延，掺杂浓度也可以低至1×1014cm-3。可通过减薄去除N型衬底，并背面注入形成P型集电极区的方法制成N型沟道超高电压IGBT，少数载流子（空穴）的寿命在目前制成的高压PIN二极管中已有测量报道，可以达到1.2μs.
根据IGBT结构的特点，由于集电极区与漂移区存在一个PN结势垒，因此正向导通时必须首先克服集电区PN结自身的内建电势。碳化硅材料由于禁带宽度大，其PN结内建电势也远大于硅基器件的PN结内建电势，一般室温下为2.6V。因此，在5kV以下的中高压器件中，2.6V的开启电压成为SiCIGBT应用的阻碍，SiC MOSFET方案具有更大的优势。但在6.5kV以上领域，高电阻外延层部分的导通压降更加显著，2.6V的开启电压变得可以接受。
本文提出一种新型10kV碳化硅混合MOS-IGBT晶体管结构（MMIGBT，MergeMOS-IGBT)，综合了MOSFET结构与IGBT结构各自的性能优势，器件在高频小电流时呈现单极型器件低开关损耗的特点，在低频大电流工况下，呈现双极型器件的低导通压降的优势。
1、器件结构
图1为本文提出的10kVSiCMMIGBT晶体管结构半元胞剖面示意图，器件使用了170µm厚度的N型碳化硅外延，掺杂浓度为8×1014cm-3。PBody结深为0.8µm，为表面轻掺杂下部重掺杂结构，峰值掺杂浓度为2×1018cm-3，栅氧厚度为60nm，在P基区内部依次设置发射区N+和P+区，在背面研磨去除了碳化硅N+衬底,并通过局部刻蚀形成深沟槽，在深沟槽区域注入Al+离子形成集电极区，背面非沟槽注入区为欧姆接触的漏极区。
由于Al+离子在碳化硅材料中难以扩散，只能依靠提高离子注入机能量来达到增加注入结深的目标，2µm以上的结深需要1MeV以上的注入能量，MMIGBT结构中的集电极区深度一般需要超过5µm，对离子注入机的能量提出了非常高的要求，此外高能量离子注入也易造成碳化硅表面的损伤。因此本文中的MMIGBT器件是首先通过等离子体干法刻蚀芯片背面形成深沟槽，在深沟槽基础上进行适度能量的离子注入，形成深PN结。需要注意的是，过深的PN结有可能造成正向阻断时电场穿通的风险。由于本文采用了非穿通（NPT）设计，因而背面深沟槽形成的集电极区纵向深度只要不进入正向雪崩击穿时的耗尽区，则不会影响MMIGBT器件的正向击穿电压。
2、仿真结果及分析
利用Silvaco仿真软件构建MMIGBT器件结构。如图2、图3所示，在正向导通小电流时，由于碳化硅集电极区PN结内建电势较高，集电极区无法开启参与正向导通，所有正向电流从漏极区域通过，因此此时MMIGBT结构表现出类似MOSFET的器件特性，为单极型器件。由于无少数载流子参与导电，因此在高频工况下仍具有较低的开关损耗。在正向导通大电流时，集电极区PN结两侧的电势差超过内建电势（约2.6V）时，集电极区开始注入少数载流子进入漂移区，形成电导调制。借助于电导调制效应，此时MMIGBT结构表现出类似于IGBT的器件特性，为双极型器件，大电流下仍具有较小的正向导通压降，在低频大电流工作状态下，比相同规格SiC MOSFET拥有更小的导通损耗。
由于集电极区只在大电流情况下参与导电，因此集电极区面积在芯片背面占用的百分比决定了MMIGBT结构在单极型工作状态下的正向导通电阻。另一方面也决定了MMIGBT结构在双极型工作状态下的电导调制效果。如果集电极区面积在背面占比较高，漏极欧姆接触区面积较小，则器件在小电流工作状态下，导通压降也会比较高。如果集电极区面积占比较少，即使在大电流工作时开启PN结形成电导调制，由于注入的少数载流子的密度较小，也无法显著的提升器件的正向大电流导通能力。因此集电极区与漏极区的比例，将直接影响MMIGBT器件的性能。
根据上述讨论，PN结两侧的电势差超过PN结内建电势时，PN结才会开启。根据图1所示，类似于SiCJBS二极管结构，MMIGBT器件的集电区PN结两侧电势差可以等效为图1中A点与B点的电势差，因此集电极区的宽度（PBW）越大或者集电区PN结深度（PBJ）越深，则可以在更小的电流下达到PN结开启的条件。故集电极区的宽度和深度决定了MMIGBT器件在单极型工作状态和双极型工作状态的切换触发点。由于采用NPT设计，仿真发现在集电极区结深小于35µm时，对正向阻断耐压不产生影响。如需要设计更深的集电极区而不影响阻断耐压，只能通过增加外延层厚度，但这会增加器件的正向导通电阻，图4中为集电极区结深为35µm时对应的正向击穿仿真曲线。
在相同集电极区宽度和集电极区/漏极区占比一定的情况下，图5为不同集电结深度下MMIGBT器件的正向导通曲线，曲线中的”SnapBack”处代表着双极型工作模式的开启，需要注意的是，此为2D结构半个元胞的仿真结果，集电区占比相对较高，在实际芯片制造设计时，通过在3D结构上合理设置集电区的布局密度，可以消除SnapBack现象，使正向曲线更加缓和的开启双极型工作模式。通过仿真可以看到增加集电结深度，可以将PN结开启时机提前，集电结深度对MMIGBT欧姆区正向导通特性没有显著影响，但会明显影响双极型区的导通能力，这主要由于深PN结一方面可以更加深入地向漂移区注入空穴，同时在纵向维度增加了PN结与漂移区的有效接触面积。
图6仿真了不同集电极区PN结宽度（PBW）下，MMIGBT器件正向导通曲线以及开启双极型模式时的导通压降。集电极区宽度越大，则越早开启双极型模式，但同时会降低漏极欧姆区的导通能力；集电极区宽度越小，漏极欧姆区导通电流的能力越强，但进入双极型模式越晚。
综合以上仿真结果，折中考虑器件在小电流情况下的导通电阻以及双极型模式的开启时机，确定优化的MMIGBT器件结构参数（半元胞）为，Pbody宽度为4.4µm，JFET区宽度为1.5µm，集电区PN结深度为30µm；集电区宽度为3.5µm。图7为MMIGBT器件与相似规格传统SiCIGBT器件的正向导通曲线比较。可以看到在VCE低于2.6V时，MMIGBT器件具备电流导通能力，在VCE大于5V时，MMIGBT器件开启双极型工作模式，同时由于集电区深PN结增加了集电区与漂移区的有效接触面积，增强了电导调制效果，相比于传统SiCIGBT结构，MMIGBT器件在VCE大于6.5V时具有更强的大电流导通能力。
3、结语
导通电阻和开关损耗一直是功率器件设计时需要平衡的两个方面，本文提出的新型10kVMMIGBT器件针对不同的工况，可以在高频特性优异的单极型工作状态和低导通损耗的双极型工作状态之间自由切换，比传统的同规格器件拥有更好的综合性能表现。通过EDA仿真工具，研究了不同关键器件设计参数对MMIGBT器件性能的影响，并获得了最优的10kVIGBT设计方案。
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