一种具有增强工作温度的新型混合集电极隧穿IGBT（HCT-IGBT）结构研究

《IEEE Journal of the Electron Devices Society》：A novel Hybrid-Collector Tunneling IGBT With Enhanced Operating Temperature

本文推荐一种新型混合集电极隧穿IGBT（HCT-IGBT）结构，通过集成N阱区和N型重掺杂隧穿层，有效降低寄生PNP晶体管的电流放大系数，显著抑制高温下关态漏电流（IL）。仿真结果表明，在175℃和200℃时，HCT-IGBT的IL较传统CSTBT分别降低38%和42%，同时保持相当的通态压降（Von）和开关损耗（Eon, Eoff）。该研究为下一代高温功率电子器件提供了有前景的解决方案。

　　

随着电动汽车、工业驱动等领域的快速发展，对功率半导体器件的性能要求日益严苛。绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为一种兼具MOSFET高输入阻抗和BJT低导通压降优势的复合器件，已成为中高功率应用的核心开关元件。然而，传统载流子存储沟槽栅双极晶体管（CSTBT）在高温环境下面临严峻挑战——其关态漏电流（I_L）随温度升高呈指数级增长，严重限制了器件的最髙工作温度。研究表明，功率转换系统的工作温度每提升25℃，其额定功率可显著增加20-30%。因此，开发能够耐受更高工作温度的IGBT器件，对提升系统功率密度和可靠性具有重大意义。

为解决这一技术瓶颈，复旦大学微电子学院王昌浩、陈欣茹等研究人员在《IEEE Journal of the Electron Devices Society》发表了一项创新研究，提出了一种新型混合集电极隧穿IGBT（HCT-IGBT）结构。该器件通过巧妙的能带工程，在保持优异导通和开关特性的同时，显著提升了高温工作能力。

研究人员主要采用技术计算机辅助设计（TCAD）仿真方法，通过建立精确的物理模型（包括载流子生成复合、隧穿效应、碰撞电离等），对比分析了HCT-IGBT与传统CSTBT的电学特性。关键创新点包括在P型集电极内集成N阱区形成反偏结（J_WELL），以及在场截止层（FS层）下方引入重掺杂N型隧穿层构成正偏隧穿结（J_T）。通过系统优化器件参数（如N阱宽度、掺杂浓度等），验证了新结构的可行性和优越性。

关态漏电流特性

仿真结果显示，HCT-IGBT在高温下表现出优异的漏电流抑制能力。在25℃时，两种器件的I_L密度均较低，且HCT-IGBT在集电极电压高于200V时略优。随着温度升高至175℃和200℃，HCT-IGBT的I_L优势更加明显——在整个电压范围内均显著低于CSTBT。定量分析表明，在相同集电极电压（1000V）下，HCT-IGBT在175℃和200℃时的I_L密度分别比CSTBT降低38%和42%。这种优化源于寄生PNP晶体管电流放大系数的有效抑制：虽然两种器件的电子电流密度相近（约10mA/cm²），但HCT-IGBT的空穴电流密度仅为CSTBT的20%。机理分析表明，在关态时，集电极高压使J_WELL的耗尽区延伸至FS层，形成N型通道；同时J_T的正偏压增强促进了电子从FS层隧穿至J_WELL耗尽区（I_BTBT）。这两种机制协同作用，使大部分电子电流被N型通道收集并直接由电极提取，从而抑制了空穴从P型集电极向漂移区的反向注入。

击穿电压特性

HCT-IGBT在高温下的击穿电压稳定性显著优于CSTBT。当温度升至215℃时，CSTBT的击穿电压从室温的1200V下降数十伏，可能导致器件失效；而HCT-IGBT即使在225℃下仍保持稳定。在较低温度（T<150℃）下，两种器件的击穿电压相当，这一差异对实际应用影响甚微，因为IGBT通常工作在150℃以上。

通态压降特性

在导通状态下，由于集电极电压较低，HCT-IGBT内部的N型通道无法形成，器件工作于双极模式，确保了低的导通压降（V_on）。在175℃、电流密度200A/cm²时，HCT-IGBT的V_on为1.53V，与CSTBT的1.54V相当。纵向电流分布分析显示，两种器件在导通时的空穴电流和总电流分布相似，证实了HCT-IGBT在导通时有效的双极工作模式。

开关特性

在开关过程中，HCT-IGBT的N型通道耗尽层同样未穿透FS层，因此对开关性能无不利影响。基于实际应用电路（R_g=10Ω, L_s=25nH, L_c=0.1mH, V_cc=400V）的仿真表明，在高温下两种器件的集电极电压和电流曲线高度重合。开关损耗参数（t_off=0.654μs, t_on=0.241μs, E_off=18.84mJ, E_on=41.48mJ）与CSTBT无显著差异，证明了HCT-IGBT在开关应用中的可靠性。

综上所述，HCT-IGBT通过创新性地利用J_WELL耗尽区宽度和J_T隧穿电流在导通/关态下的差异，实现了对寄生PNP晶体管电流放大系数的智能调控。该结构在显著降低高温漏电流（175℃和200℃时分别降低38%和42%）和提升击穿电压的同时，保持了与CSTBT相当的导通和开关性能。更重要的是，其工艺流片与现有CSTBT技术完全兼容，易于产业化。这项研究为突破功率器件的高温工作瓶颈提供了新思路，对推动下一代高功率密度、高温度稳定性的功率电子系统发展具有重要意义。