本申请各实施例属于半导体领域，具体涉及半导体器件结构及电子设备。
背景技术：
在绝缘栅双极型晶体管单管两端通常反向并联的一个二极管，这个二极管叫做续流二极管(fwd，freewheelingdiode)，通常是硅基快恢复二极管frd(fastrecoverydiode)，该续流二极管的作用是在电路中电压或电流出现突变时，对电路中其他元件起保护作用。
传统绝缘栅双极型晶体管结构，将绝缘栅双极型晶体管芯片与si基frd合封形成，现有技术中由于续流二极管si基frd反向恢复时存在较大且时间较长的反向恢复电流，造成传统绝缘栅双极型晶体管升温较高，大大降低系统效率。同时现有电路系统体积大，重量较重。
技术实现要素：
本申请实施例目的在于克服上述问题或者至少部分地解决或缓解上述问题，本申请提供的技术方案可以减小功耗，降低温升，进而提高系统效率，使设备小型化和轻型化。
第一方面，本申请实施例提供了一种半导体器件结构，包括，绝缘栅双极型晶体管芯片和肖特基二极管芯片，所述绝缘栅双极型晶体管芯片和肖特基二极管芯片反并联合封设置。
与现有技术相比，本申请实施例通过将绝缘栅双极型晶体管芯片与肖特基二极管芯片充分组合与利用，使绝缘栅双极型晶体管芯片器件可以减小功耗，降低温升，进而提高系统效率。
第二方面，本申请实施例还提供了一种电子设备，包括第一方面所述的半导体器件结构。
与现有技术相比，本申请第一方面提供实施例的有益效果与上述任一方面技术方案的有益效果相同，在此不再赘述。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分，本领域技术人员应该理解的是，这些附图未必是按比例绘制的，在附图中：
图1为现有igbt器件结构示意图；
图2为现有igbt器件结构桥臂电路t/4开通的示意图；
图3为现有igbt器件结构桥臂电路2t/4开通的示意图；
图4为现有igbt器件结构原理结构示意图；
图5为图3在t1时刻的波形图；
图6为图3在t1时刻的电流流向示意图；
图7为图3在t2时刻的波形图；
图8为图3在t3时刻的波形图(与si基frd合封的igbt器件结构在t3时刻的波形图)；
图9为本申请实施例提供的igbt器件结构结构示意图；
图10为本申请实施例与sicsbd合封的igbt器件结构在t3时刻的波形图；
图11为本申请实施例igbt器件结构搭配硅frd和碳化硅sbd时的温升仿真曲线图；
图12为本申请实施例1200v20asi基frd的if-vf曲线；
图13为本申请实施例1200v10asicsbdif-vf曲线对比；
图14为本申请实施例提供的半导体器件结构制备方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，为了简化，以下将“绝缘栅双极型晶体管芯片”简称“igbt”，“硅基快恢复二极管”简称“frd”，“肖特基二极管芯片”简称“sbd”，将“碳化硅肖特基二极管芯片”简称“sicsbd”。
参考图1，图1为现有igbt器件结构，1是基板，2是si基igbt芯片(其中21是si基igbt芯片发射极，22是si基igbt芯片栅极，3是si基frd，4是igbt器件结构栅极，5是igbt器件结构集电极，6是igbt器件结构发射极，7是连接igbt芯片栅极与栅极管脚的铝线，8是连接igbt芯片发射极与发射极管脚的铝线，9是连接frd阳极与发射极管脚的铝线，铝线与igbt芯片发射极与frd阳极通过键合方式相连，igbt芯片的集电极和frd阴极都通过焊料焊接在基板1上。
参考图2，图2为图1中的igbt器件结构桥臂电路的示意图(图2中还有一个桥臂未画出)；图2中续流二极管是frd，负载为电感l，当t/4开通时，电感l上会有电流从a流向b，然后脉宽调制pwm波控制2t/4关断，这样图2中标箭头的电路中就无电流流过，由于电感l接在电路中，电感l的特性是电感电流不能突然中断，所以电感l中此时还有电流流过。
参考图3，电感l下方的电流b继续沿着原方向流动；同时因为电路上电流中断，导致它会产生一个反电动势，这个反电动势将通过igbt器件结构iii的续流二极管加到正极上，由于正极前面有滤波电容，此反电动势可以对电容进行充电，这样，电流流向c，正极的电压也不会上升，igbt器件结构iii旁边的frd正常工作，由于frd反向恢复时存在较大且时间较长的反向恢复电流，造成igbt器件结构温升较高，大大降低系统效率，且如果将此现有igbt器件结构用到散热器中，散热器体积大，系统体积大，重量大。
图4为igbt器件结构工作原理示意图；为了使分析简化，上方igbt器件结构g2的栅极加一个负电压使之关断(但其两端的frd可以工作)，研究对象是下方的igbt器件结构g1，在其栅极上施加直流脉冲电压vge。
参考图5，图5为图3在t1时刻的波形图；在t0时刻，门极产生第一个脉冲，igbt器件结构g1饱和导通，电动势u加在负载l上，负载l电流线性上升，电流表达式为：i＝ut/l。在t1时刻，负载l电流的数值由u和l决定，在u和l都确定时，电流的数值由t1决定，时间越长，电流越大。
参考图6，图6为图3在t1时刻的电流流向示意图，在t1时刻，igbt器件结构g1关断，负载l电流由igbt器件结构g2两端的frd续流，该电流缓慢衰减。
参考图7，图7为图3在t2时刻的波形图(图中的虚线表示t1到t2时刻流过负载l电流的衰减)；在t2时刻，第二个脉冲的上升沿到达，igbt器件结构g1再次导通，续流二极管进入反向恢复，反向恢复电流会穿过igbt器件结构g1。
参考图8，图8为图3在t3时刻的波形图；在t3时刻，igbt器件结构g1再次关断，此时电流较大，杂散电感的存在会产生一定的电压尖峰。
在frd反向恢复过程中，由于igbt器件结构g1集电极总电流ic较大(ic为负载l流向g1的电流il与从frd流向g1的反向恢复电流ifwd的和，即ic＝il ifwd)，使得功耗vceic较大，从而使igbt器件结构温升高，系统效率低。
为了减小功耗，降低温升，根据功耗的公式p耗＝vceic可知，要减小功耗，就要减小ic，而根据ic＝il ifwd可知，要减小ic就要减小ifwd，frd由于p /n-结的存在，使反向恢复电流ifwd很大。同时，由于漂移区中双层外延界面处所形成的结的阻挡作用，使反向恢复时间很长。由于frd反向恢复电流较大且持续时间较长，使得流过igbt器件结构g1的集电极电流ic较大且持续时间较长，从而使与frd合封的igbt功耗较大。
为了解决igbt器件结构功耗过大的问题，图9为本申请提出的半导体器件结构结构示意图；1是基板，2是si基igbt芯片(其中21是si基igbt芯片发射极，22是si基igbt芯片栅极)，3是sbd，4是si基igbt器件结构栅极，5是igbt器件结构集电极，6是igbt器件结构发射极，7是连接igbt芯片栅极与栅极管脚的铝线，8是连接igbt芯片发射极与发射极管脚的铝线，9是连接sbd阳极与发射极管脚的铝线，铝线与igbt芯片发射极与sbd阳极通过键合方式相连，igbt芯片的集电极和sbd阴极都通过焊料焊接在基板1上，在图9中的sbd可以为sicsbd，本申请实施例对此不作限制。
参考图10，图10为与sicsbd合封的igbt器件结构在t3时刻的波形图；通过跟图8与硅基frd合封的igbt器件结构在t3时刻的波形图的对比可以看到，与硅基frd合封的igbt器件结构在t2时刻有尖峰向上的三角形的续流二极管反向恢复电流(这仅是示意图，实际波形的尖峰处为圆弧状)。反向恢复电流的形成过程为：在其反向恢复的过程中，由于反向恢复的瞬间加上反向电压，而此时续流二极管有较大的正向电流，故在反向电压的作用下，其向上流动的正向电压逐渐减小到零，随后由于漂移区中多子空穴的向上流动，在反向电场的作用下逐渐达到最大值，随后由于多子空穴的复合，其电流逐渐减小到零。故在图8中看到了尖峰向上的电流，它就是续流二极管的反向恢复电流。而与sicsbd合封的igbt器件结构在t2时刻由于sbd芯片没有反向恢复特性，故图8中的尖峰向上的三角形的续流二极管反向恢复电流就不存在了，这样就得到了图10与sicsbd合封的igbt器件结构在t3时刻的波形图。这相对于frd合封的igbt来说，是一个巨大的进步，因为一般来说，这个反向恢复电流的峰值较大，且持续的时间较长(几十到几百纳秒)，当igbt器件结构的频率较高时，它造成的功率损耗就占比较大。
参考图11，图11为igbt器件结构搭配si基frd和sicsbd时的温升仿真曲线图；图11中的横轴是时间，单位是秒。图11中将igbt器件结构搭配的续流二极管由si基frd芯片替换为sicsbd芯片后，igbt器件结构结温从137℃减小到110℃，减小27℃。续流二极管结温从79℃减小到73℃，减小6℃。因此，igbt器件结构搭配sicsbd芯片后，由于igbt器件结构开通损耗去掉了来自反向恢复的影响，与搭配si基frd芯片相比，温度差别明显。
由于sicsbd芯片没有反向恢复时间，由正向导通到反向截止切换的时间仅几十ps(si基frd为几十ns)，故在igbt器件结构的集电极电流中没有sicsbd芯片的反向恢复电流。由于反向恢复电流的峰值为零，持续时间为零，所述本申请功耗减小非常明显。
由于sicsbd芯片反向恢复速度很快，使电流变化率di/dt很大，会引起负载电感两端很大的电动势，使sicsbd芯片产生较大的温升。由于sic的热导率是硅热导率的3.27倍，sicsbd芯片能将产生的热量快速排走而不会造成热的积累，故sicsbd芯片能扛住大的di/dt，从而扩展了igbt器件结构动态工作时的安全工作区。
本申请实施例能降低与igbt器件结构反并联的续流二极管的电流等级。在一个实施例中，传统1200v40aigbt中，si基frd芯片一般选用1200v20a。而本申请中sicsbd芯片只需要采用1200v10a。
参考图12和13，图12和13为1200v20asi基frd芯片与1200v10asicsbd芯片的if-vf曲线对比；其中图12是1200v20asi基frd芯片的if-vf曲线，图13是1200v10asicsbd芯片的if-vf曲线；从图12和13中可以看出，1200v20asi基frd芯片的正向导通压降vf约等于1.9v(if＝20a,ta＝25℃)，1200v10asicsbd芯片的正向导通压降vf等于1.9v(if＝20a,ta＝25℃)。
本申请能减小与igbt芯片反并联的续流二极管的芯片大小，由于碳化硅的临界击穿电场是硅的12.8倍，故要达到相同的电压等级，碳化硅漂移区电阻率可以比硅低很多，从而可以大幅缩小碳化硅二极管的面积。在一个实施例中，传统1200v40aigbt器件结构中的1200v20asi基frd芯片大小为3.4*3.4mm2，而本申请采用的1200v10asicsbd芯片大小为2.3*2.3mm2，续流二极管芯片面积减小了54％。
参考图14，图14为本申请实施例提供的半导体器件结构制备方法的流程图，包括以下步骤：
步骤s01，获取一绝缘栅双极型晶体管芯片和一肖特基二极管芯片；
首先通过划片将igbt晶圆和sicsbd晶圆分割成一个个的小芯片。
步骤s02，将所述绝缘栅双极型晶体管芯片和肖特基二极管芯片反并联合封设置。
步骤s02具体包括以下步骤，
步骤s021，将所述绝缘栅双极型晶体管芯片集电极通过采用焊料与基板相连，所述肖特基二极管芯片阴极采用焊料与基板相连；
在本步骤中，将igbt芯片集电极和sicsbd的背面金属即阴极通过焊料分别固定在框架基板即管子的集电极上，通常采用的焊料是pb90sn10(pb和sn的含量分别为90％和10％)，本案采用的焊料是pb95.5sn2ag2.5(pb、sn和ag的含量分别为95.5％、2％和2.5％)，目的是增加igbt器件结构的导热性能，使igbt器件结构的工作结温升高，增加igbt器件结构工作的可靠性。
步骤s022，将所述硅基绝缘栅双极型晶体管芯片发射极与所述碳化硅肖特基二极管芯片阳极分别通过第一导电线和第二导电线与发射极管脚相连；将所述硅基绝缘栅双极型晶体管芯片栅极通过第三导电线与栅极管脚相连。
在本步骤中，将igbt芯片发射极和sicsbd芯片阳极通过铝线与igbt器件结构发射极管脚通过冷焊工艺(不加热)相连。
步骤s023，将键合后的绝缘栅双极型晶体芯片、肖特基二极管芯片芯片和整个框架基板进行塑封。
在本步骤中，将igbt芯片和sicsbd芯片用塑封料包裹起来，与外界隔离开。
步骤s024，将进行塑封后的绝缘栅双极型晶体管芯片和肖特基二极管芯片切筋，使绝缘栅双极型晶体管的发射极管脚、栅极管脚和集电极管脚互相独立分开，得到半导体器件结构。
在本步骤中，将整条的igbt成管切割成一个个单管。
通过本申请提供的半导体器件结构能极大地提升系统效率，降低igbt器件结构温升，且能减小与igbt芯片反并联的续流二极管的芯片大小，在基板大小一定的情况下，反并联续流二极管面积的减小使其周围金属基板面积增大，更有利于散热，从而降低温升，同时也能降低与igbt芯片反并联的续流二极管的电流等级。
本申请还提供了一种电子设备，其中，设备中包括本申请提供的半导体器件结构。
作为本申请的实施例，此设备可以为散热器，通过采用本申请提供的半导体器件结构，可减小直流-交流电路的散热器体积，由于引入碳化硅二极管，igbt器件结构损耗减小，因此在保证结温不超过器件安全运行范围的情况下，散热器热阻可以加大。增大热阻代表的物理意义是散热器体积减小。
本申请通过对si基igbt芯片与sicsbd芯片芯片的巧妙搭配，通过对硅和碳化硅各自特性的充分组合与利用，使igbt器件结构性能有了质的飞越。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
1.一种半导体器件结构，其特征在于，包括，绝缘栅双极型晶体管芯片和肖特基二极管芯片，所述绝缘栅双极型晶体管芯片和肖特基二极管芯片反并联合封设置。
2.如权利要求1所述的一种半导体器件结构，其特征在于，所述绝缘栅双极型晶体管芯片为硅基绝缘栅双极型晶体管芯片，所述肖特基二极管芯片为碳化硅肖特基二极管芯片。
3.如权利要求2所述的一种半导体器件结构，其特征在于，所述硅基绝缘栅双极型晶体管芯片发射极与所述碳化硅肖特基二极管芯片阳极分别通过第一导电线和第二导电线与发射极管脚相连，形成所述半导体器件结构的发射极；
所述硅基绝缘栅双极型晶体管芯片集电极与基板相连，形成所述半导体器件结构的集电极；所述硅基绝缘栅双极型晶体管芯片栅极通过第三导电线与栅极管脚相连形成所述半导体器件结构的栅极；
其中，所述碳化硅肖特基二极管芯片阴极与所述基板相连。
4.如权利要求3所述的一种半导体器件结构，其特征在于，所述第一导电线、所述第二导电线、所述第三导电线为铝线。
5.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1至4任一项所述的半导体器件结构。
技术总结