Etat de l’art des structures RC-IGBT

La technique classique pour réaliser une puce RC-IGBT consiste à introduire une région N+ sur la face arrière d’un IGBT standard (à côté des diffusions P+). Cette région N+ est en contact avec la zone de drift N- et est court-circuitée à la région P+ par l’électrode d’anode. Toutefois, cette configuration présente des inconvénients. Parmi cela, le phénomène de

snapback en conduction directe cité dans le paragraphe précédent. Un grand nombre de structures ont été publiées dans la littérature durant cette dernière décennie afin d’améliorer le compromis des performances de l’IGBT (état passant directΨ et de la diode (état passant inverse). L’objectif poursuivi est de proposer une structure RC-IGBT qui ne présente pas de courant de retournement (snapbackΨ et avoir une caractéristique I(VΨ proche de celle d’un IGBT classique et qui ne dégrade pas la chute de tension à l’état passant inverse de la diode PIN. Pour cela, plusieurs structures ont été proposées dans la littérature. Différentes technologies sont utilisées pour leurs réalisations. Nous donnons ci-dessous une brève description de quelques structures proposées dans la littérature et pour simplifier la description, nous les avons regroupées en cinq catégories:

 La première catégorie emploie la technologie "Trench gate" et des wafer minces "Thin

process" pour augmenter le calibre en courant de la région MOS et réduire la chute de tension en direct. Ceci a pour effet d’augmenter la densité du courant admissible dans ce type de composants par rapport à un RC-IGBT conventionnel de même surface (et à technologie planaire). Ce concept est adopté par Mitsubishi [5] utilisant la technologie commercialisée "LPT-CSTBT" (Light punch Through type Carrier Stored

Trench gate Bipolar) (Figure 2-5a). Le composant développé par Infineon exploite le même principe (Figure 2-5b) mais en utilisant sa propre technologie [11], le composant ainsi développé est appelé RCD-IGBT (Reverse Conducting for Drives IGBT). Ce composant permet de réduire la chute de tension directe pour une densité de courant donnée.

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a) b)

Figure 2-5 : a) structure du LPT-CSTBT de Mitsubishi (1200V) [5], b) structure du RCD-IGBT de Infineon (1200V) [1][11]

 La deuxième catégorie de structures reportées dans la littérature vise l’augmentation de la résistance du court-circuit RCS. Cette augmentation de RCS est réalisée par l’implantation d’une région flottante dopée P entre les deux diffusions N+ et P+ sur la face arrière (Figure 2-6a) [12]. La région P joue le rôle d’une barrière résistive élevée et le passage d’un mode de fonctionnement de type VDMOS à un fonctionnement de type IGBT s’effectue à une tension proche de 0,7 V. La Figure 2-6b montre une variante utilisant une région P flottante et une tranchée remplie de diélectrique (SiO2) pour augmenter davantage cette résistance. Ce type de composant est appelé FP-RC-IGBT (Floating P

region RC-IGBTΨ dans la structure sans tranchée d’oxyde et TFP-RC-IGBT (Trench

Floating P-region RC-IGBT) [10] dans le cas de la structure utilisant une tranchée d’oxyde. Ce concept est adopté par Tianjin Zhonghuan Semiconductor localisée en chine. L’augmentation de RCS permet le déclenchement du mode IGBT de la structure plus rapidement qu’un RC-IGBT conventionnel.

a) b)

Figure 2-6 : a) vue en coupe 2D de la structure du FP-RC-IGBT [12], b) vue en coupe 2D de la structure du TFP-RC-IGBT [10]

 Une troisième catégorie de composants proposés dans la littérature est particulièrement complexe technologiquement. Ces composants intègrent monolithiquement un IGBT et un thyristor en antiparallèle pour la conduction en inverse. La conduction en direct (mode IGBT) est contrôlée par la grille1 pour la structure nommée RC-TCIGBT (A Reverse

Conducting Trench Clustered IGBT) (Figure 2-7a) [2] et la conduction en inverse (mode thyristor) est contrôlée par la grille2, les deux grilles se trouvent sur la face avant de la puce. Dans le cas de la structure de la Figure 2-7b nommée AG-RCIGBT (Automatically

controlled anode Gate RC-IGBT) [13] la conduction en direct (mode IGBT) est contrôlé par la grille1 (face avant) et la conduction inverse est contrôlée par la grille2 qui se trouve sur la face arrière de la puce.

a) b)

Figure 2-7 : a) structure du RC-TCIGBT [2], b) structure du AG-RCIGBT [13]

 Une quatrième catégorie de structures RC-IGBT à super jonction (SJ-RC-IGBT) (Figure 2-8a) [14] ou à Semi-super jonction (Figure 2-8b) [15] est aussi proposée dans la littérature. L’utilisation d’une super-jonction (ou semi- super jonction) permet de réduire la chute de tension du RC-IGBT en conduction (direct et inverse). Néanmoins, cette solution est aussi complexe sur le plan technologique.

a) b)

Figure 2-8 : a) structure du SJ-RC-IGBT [14] b) structure du Trench Field Stop RC-IGBT de [15]

 La cinquième catégorie des RC-IGBT proposés est plus simple à réaliser technologiquement. Dans cette catégorie, l’intégration monolithique d’un IGBT et d’une diode PIN en antiparallèle utilise une technologie planaire. On peut notamment distinguer deux types de structures basées sur ce concept. Le premier type de structure est proposé

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58 par ABB, il est connu sous le nom du "BIGT" (Bi-mode Insulated Gate

Transistor)[8][16]. Le BiGT (Figure 2-9a) intègre monolithiquement une large section IGBT dite "pilote" et une section RC-IGBT conçu en alternant des bandes P+ et N+ sur la face arrière [17]. La section IGBT pilote est conçu de sorte à permettre la mise en conduction de la jonction P+/N-à un niveau de courant d’anode très faible, ce qui permet par conséquent d’avoir une caractéristique à l’état passant direct semblable à celle d’un IGBT classique caractérisée par l’absence du phénomène de snapback [4]. Le deuxième type de structure est basé sur un agencement simple des deux diffusions P+ et N+ face arrière (sans alternance). Deux exemples de structures utilisent ce concept, le DMOS-IGBT/PIN[18] (Figure 2-9b) et le deuxième est nommé HUBFET [19] (Hybrid Unipolar

Bipolar Field Effect TransistorΨ. Le principe de ces deux structures est le même, l’IGBT et la diode PIN occupent deux régions de part et d’autre de la puce RC-IGBT. L’utilisation d’une diffusion très large permet en effet de supprimer le phénomène de

snapback [17]. Ce type de structure est le plus simple à réaliser.

a) b) c)

Figure 2-9 : a) structure du BiGT (ABB) [8], b) structure du DMOS-IGBT/PIN (Mitsubishi) [5], c) HEBFET [19]