具有集成齐纳二极管的低通态电压和饱和电流沟槽绝缘栅双极晶体管

低通态电压和饱和电流的沟槽绝缘栅双极晶体管（Trench Insulated Gate Bipolar Transistor，简称TIGBT）是一种功率半导体器件，具有集成齐纳二极管的独特设计。该器件在提高功率转换效率和可靠性方面展现出显著优势。 TIGBT相较于其平面型对应器件，具有更低的通态电压（Von）。在此基础上，引入重掺杂N型载流子存储层（N-layer）可以进一步降低通态电压。然而，随着N层掺杂剂量的增加，通态电压虽有所下降，但会严重影响器件的击穿电压（Breakdown Voltage，简称BV）。这意味着，虽然可以通过增加N层的掺杂量来降低通态电压，但必须在不显著降低击穿电压的前提下进行。 除此之外，为了提高器件在短路安全操作区域（Short-circuit Safe Operating Area，简称SCSOA）的性能，需要降低TIGBT的饱和电流。这可以通过钳制沟槽型nMOS的漏-源电压（VDS）来实现。然而，通过耗尽N层或自偏置的pMOS来钳制VDS会限制N层的掺杂量，进而限制了通态电压的进一步降低。 为了解决上述问题，本研究提出了一种新型TIGBT，其中集成了齐纳二极管。该设计能够自动钳制位于活性沟槽nMOS基区下方的载流子存储层的电位。在阻断状态下，载流子存储层的掺杂剂量可以尽可能高，从而降低通态电压而不影响击穿电压。在导通状态下，沟槽型nMOS的漏-源电压也被钳制，这有助于降低饱和电流。 根据模拟结果显示，对于1.2kV器件，与传统TIGBT相比，新型TIGBT的饱和电流和通态电压分别降低了42.8%和43.1%。该器件结构的显著特点是引入了埋藏的P层、表面N++层和表面P++层，这些层形成了一个集成的齐纳二极管。N++层通过浮动欧姆接触（Floating Ohmic Contact，简称FOC）与P阱相连接。 通过采用集成齐纳二极管的TIGBT设计，不仅可以提高载流子存储层的掺杂量（DNL），同时还可以降低饱和电流。集成齐纳二极管在器件中起到了钳制VDS的作用，从而达到了降低饱和电流和通态电压的目的。 上述研究论文所提出的具有集成齐纳二极管的TIGBT具有创新性，不仅改善了器件性能，而且在成本效益方面也进行了充分考虑。这项技术的发展可能对高功率半导体器件的应用产生重要的影响，特别是在工业驱动、电力转换和电动汽车等领域。由于TIGBT在这些应用中要求高性能和高可靠性，故研究并优化TIGBT的结构对推动功率器件技术的进步具有重大意义。