绝缘栅

超结IGBT的结构特点及研究进展

发布时间:2022/6/12 17:50:33   
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摘要?

随着绝缘栅双极型晶体管(IGBT)技术的发展,目前主流的场截止型结构越来越接近其理论极限。超结被誉为“功率MOS的里程碑”,近年来也被引入IGBT以进一步提升器件性能。超结IGBT结合了场截止型IGBT和超结结构的优点,可在更短漂移区长度下实现高耐压和低损耗。然而,作为一种双极型器件,超结IGBT具有与超结MOSFET不同的工作原理。文章从超结原理出发,揭示了超结IGBT的结构特点和工作原理,并对超结IGBT的最新研究进展进行了梳理和概括。

0引言

作为核心的功率开关器件之一,绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor,IGBT)结合了金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxidesemiconductorfield-effecttransistor,MOSFET)和双极结型晶体管(BJT)的优点,已在新能源汽车、智能电网、轨道交通、工业控制、通信电源、消费电子等领域的中高功率电力电子装置中获得广泛的应用。

自IGBT问世以来,通过不断的技术创新,器件结构和工艺技术获得了长足的进步,产品已经历了7代的发展。通过采用沟槽栅、场截止(FS)、轻穿通(LPT)、软穿通(SPT)、载流子存储(CS)层、浮空P型区、虚拟栅、微沟槽栅(MPT)、薄片加工、背面H离子注入等产业化技术,器件的可靠性、应用频率和功率损耗等均有了很大提升。近年,随着技术的进一步发展,各种器件新结构(如发射极嵌入(RET)结构、分裂栅结构、自偏置PMOS结构、二极管偏置浮空P型区结构等)也相继被提出,提升了器件的性能和可靠性,IGBT结构和技术越来越接近其理论极限。通过较高掺杂浓度N柱、P柱的相互耗尽和电荷补偿作用,超结(SJ)结构打破了单一载流子器件的“硅极限”,在较短的漂移区长度下可实现高耐压,被誉为“功率MOS的里程碑”,已在功率MOSFET领域获得了极大的成功。具有超结漂移区的超结IGBT结合了FS-IGBT和超结的优点,可实现高的耐压和低的损耗,为IGBT性能的进一步提升提供了新的思路。加入IGTB行业交流群,加VX:tuoke08。然而,作为一种双极型器件,超结IGBT具有与超结MOSFET不一样的结构特点和工作原理,本文从超结原理出发,揭示超结IGBT的结构特点和工作机制,并对超结IGBT最新研究进展进行梳理和概括。

1超结原理及传统超结IGBT的局限

超结结构示意图如图1(a)所示,在垂直耐压方向周期性排列的N柱和P柱,替代了传统结构中均匀掺杂的N型漂移区。当器件承受高压时,N柱和P柱之间的耗尽层在水平方向扩展;与传统的器件不同,N柱和P柱的相互耗尽会产生横向电场,使得电场分布变得更为平坦,改善了电场尖峰现象,如图1(b)所示。

为确保击穿时N柱和P柱全耗尽,并能实现最佳电荷补偿,二者的电荷与临界电场之间需要满足以下的关系式:

式中:Qn,Qp分别为N柱和P柱的电荷;εs为相对介电常数;Ec为临界电场;q为电荷量;ND和NA分别为N柱和P柱掺杂浓度;Wn和Wp分别为N柱和P柱宽度。

在电荷平衡的状态下,N柱区电离正电荷发出的电场线几乎全部终止于临近P柱区,超结在耐压方向上可粗略视为“本征层”,此时击穿电压为

BV=EcT(3)

式中:BV为击穿电压;T为N柱或P柱的厚度。

据式(3)可知,N柱和P柱的掺杂浓度可以比传统器件漂移区的掺杂浓度提高1~2个数量级,极大地降低了器件比导通电阻Ron,sp,突破了传统Ron,sp∝BV2.5的“硅极限”关系,使其降低为1.32次方。本团队章文通等人提出的超结非全耗尽NFD耐压模式,可使比导通电阻进一步降低,实现了Ron,sp∝BV1.03的准线性关系。目前,超结MOSFET的产品主要覆盖~V应用范围。

通过将图2(a)所示的超结MOSFET背面的N+衬底替换为N型FS层和P型集电区,获得了如图2(b)所示的超结IGBT结构。在年,M.M.DeSouza等人首次提出了一种平面型CoolIBT结构[27],由此揭开了对超结IGBT研究的序幕。相比传统的FS-IGBT,超结IGBT可降低正向导通压降Vce(on),并可实现Vce(on)和关断损耗Eoff的更优折中。在相同的电压等级V下,超结IGBT的漂移区长度可比FS-IGBT减小10%~20%;在关断过程中,N柱和P柱的相互耗尽可加速载流子的抽取,进一步降低器件的关断损耗。

年,ST公司利用多次外延的工艺首次制造出了平面型超结IGBT,其结构如图3所示。试验结果表明,在A/cm2的电流密度下,超结PT-IGBT的导通压降相比传统平面PT-IGBT降低了25%,而且具有更低的关断损耗和更短的米勒平台。

然而,作为双极型器件,超结IGBT并不能完全照搬超结MOSFET的设计思路。在年,ABB公司的FriedhelmD.Bauer首次详细对比了超结MOSFET和IGBT结构差异带来的特性变化。传统超结IGBT沿用了超结MOSFET中P柱区与P型基区直接相连的结构特点,导致对于不同掺杂浓度的N柱和P柱,超结IGBT在正向导通时,导电机制会在“双极-单极”之间转换,如图4所示。由于P柱区提供了直接连接P型基区的空穴抽取通道,影响了正向导通下传统超结IGBT的电导调制水平,使具有中等掺杂N柱区和P柱区浓度的超结IGBT表现出较大的Vce(on)。因此,如何进一步提高超结IGBT漂移区的电导调制水平和优化载流子浓度分布,是实现高性能超结IGBT亟需解决的问题。

2具有浮空P柱的SJ-IGBT结构

为了抑制与P型基区直接相连的P柱区在导通状态下对漂移区(特别是中等掺杂浓度N柱区和P柱区)空穴的抽取,增强漂移区的电导调制,可采用具有浮空P柱的SJ-IGBT结构,通过将P柱和P型基区分离,抑制了空穴从P柱向P型基区直接流出。基于此,在年,英国剑桥大学M.Antoniou等人提出了如图5(a)所示的具有浮空P柱的沟槽栅半超结IGBT结构。

该结构在较宽的沟槽栅极下方形成P柱区,使P柱与P型基区不相连,进而增强了电导调制作用。在年,M.Antoniou等人提出了如图5(b)所示的具有N型注入层(N-injector)的“SPT+SJ-IGBT”新结构。该结构在N柱和P柱上方引入较高浓度的N型注入层,将P柱与P型基区隔离开,阻止了空穴从发射极直接流出,其较高浓度的N型注入层作为有效的空穴势垒,进一步提高了发射极一侧的载流子浓度,获得了更好的折中关系。值得注意的是,与具有CS层的传统平面型IGBT结构相似,文中N型注入层(N-injector)选取的浓度较低,当其浓度超过一定范围后,器件会发生提前击穿,导致耐压降低。

电子科技大学相关团队早在年就开展了对超结IGBT的研究;在年作者等人提出了在P柱和P型基区间引入埋氧化层,提出了如图6所示的沟槽栅BO-SJIGBT结构。该结构采用氧化层作为空穴阻挡层和隔离层,显著提高了发射极一侧的空穴浓度,进而降低了器件的导通压降,特别是N柱区和P柱区具有中等掺杂浓度下的导通压降,并改善了“Vce(on)-Eoff”折中关系,如图7所示。

在年,Kwang-HoonOh等人公布了V平面型超结IGBT的试验结果,展示了超结FS-IGBT和超结NPT-IGBT结构的优异性能,在A/cm2的电流密度下,SJFS-IGBT导通压降的典型值降低至1.4V,与传统FS-IGBT相比优势明显;同时,在不同栅压下进行了短路测试,结果表明,超结NPT-IGBT具有更好的短路能力。其中,导通特性和“关断下降时间-导通压降”的折中关系如图8所示。在年国内华虹集团也报道了SJFS-IGBT的试验结果,展示了很好的器件性能。

3具有P柱连接可变的SJ-IGBT结构

具有浮空P柱的SJ-IGBT结构增强了器件导通时的电导调制效应,改善了正向导通压降和“Vce(on)-Eoff”的折中关系,但是浮空的P柱区也影响了器件关断时对空穴的抽取。为了进一步提升SJ-IGBT的性能,业界相继提出了多种P柱连接可变的SJ-IGBT结构。在年,四川大学黄铭敏等人提出了一类具有载流子注入增强结构的超结IGBT(CSE-SJ-IGBT)结构,如图9所示。通过将P柱与肖特基二极管(或多晶硅二极管)串联,利用二极管较高的开启压降提高空穴的费米势,形成空穴势垒,增强了正向导通时超结漂移区的电导调制,进而降低了器件的正向导通压降。

在器件关断时,随着集电极电压的增加,二极管正向导通,空穴通过P柱和二极管形成的路径流出发射极,从而加快了空穴抽取速度,降低了关断损耗。

在年,电子科技大学黄俊等人将应用于FSIGBT中的自偏置PMOS结构应用到SJ-IGBT中,提出了如图10所示的具有自偏置PMOS的SJ-IGBT结构。结构中较高掺杂浓度的N-base区在器件导通时作为空穴势垒,阻挡空穴流出。关断时随着集电极电压的增高,当A处的电势升高至超过PMOS的阈值电压时,PMOS自动开启,为空穴提供额外的抽取通道,加快了电流的关断,进而降低了关断损耗。

在年,电子科技大学魏杰等人在浮空P柱SJ-IGBT结构(图5(a))的基础上做了进一步的改进,提出了如图11所示的SAHE-SJ-IGBT结构。SAHESJ-IGBT将栅极一分为二,中间为轻掺杂P型区,导通时轻掺杂P型区被栅电压耗尽,并进一步反型形成空穴势垒,阻止空穴流出;器件关断时,轻掺杂P型区变为中性区,P柱直接与发射极连接,形成正常的空穴通道,加快了空穴的抽取,降低了关断损耗,进而改善了折中关系。

在年,香港科技大学魏进等人引入额外的电极偏置,提出了如图12所示的DG-SJ-IGBT(DualGate-SJ-IGBT)结构[42]。DG-SJ-IGBT在浮空P柱结构的基础上引入独立的沟槽电极AG,当器件关断时,AG连接-15V电压,在P柱上方的N型区域形成空穴反型层,从而形成与发射极连接的空穴沟道,加快了空穴的抽取,而当器件处于导通状态时,AG接15V电压,此时P柱上方的N型区域形成电子的积累层,P柱处于浮空状态。这样在不影响导通特性的条件下,DG-SJ-IGBT的关断损耗降低。因此,与浮空P柱结构相比,其折中关系更优,但是双栅结构的引入也增加了栅极控制的难度。

4逆导型、逆阻型和双向SJ-IGBT结构

在实际电路应用中,IGBT单独工作往往难以完成所需的功能。在H桥等拓扑应用中,IGBT两端需要与续流二极管(FWD)反并联使用;在矩阵变换器中,IGBT需要与二极管串联以实现反向阻断功能,并进一步实现双向开关功能。然而,与二极管的串联或并联增加了器件封装后的面积和引线数量,不利于器件功率密度的进一步提升,同时增加的引线数量也会影响器件的可靠性。为了实现更高的集成度,业界相继提出了具有逆导(RC)、逆阻(RB)和双向功能的IGBT器件。近年来,随着SJ-IGBT技术的发展,逆导型、逆阻型和双向SJ-IGBT结构也相继被提出。

虽然逆导IGBT减小了芯片面积,更利于集成,但N型集电极的引入使得器件在导通时存在snapback效应,大量的研究主要从阳极工程[43-44]入手改善。超结RC-IGBT最初在发射极(阴极)附近引入超结结构,如图13所示,结果表明超结的引入可以改善snapback效应,但效果不理想。在年,M.Antoniou等人提出在阳极侧引入超结[46],相比于在阴极侧引入超结,该结构无需考虑P柱与阴极的位置关系。仿真结果表明,阳极超结RC-IGBT结构可很好地抑制RCIGBT的snapback效应,而且当超结延伸整个漂移区时,snapback效应基本被消除。

在年,E.M.Findlay等人提出DualimplantSJRC-IGBT结构[47],如图14所示。DualimplantSJRC-IGBT包含2部分超结结构,一部分靠近阴极,另一部分靠近阳极,靠近阳极一侧的超结可以不与靠近阴极一侧的超结对齐,同时可以利用2个硅片分别制作正面和背面的超结,再通过晶圆键合工艺将硅片键合,弥补了目前超结工艺上的限制。该结构很好地抑制snapback效应,而且当2个超结间距为0时,snapback效应抑制效果最好。

在年,文献[48-49]提出了一种具有混合导电模式的沟槽隔离SJRC-IGBT结构(见图15(a)),其结构在单元胞内完全消除了snapback效应,并具有SJMOSFET和SJIGBT混合导电的功能,其I-V特性曲线如图15(b)所示。

在年,文献[50]提出一种SJRB-IGBT,具体结构如图16所示。当这种结构的IGBT反向阻断时,利用SCT电极辅助耗尽高浓度的N1层,获得超过V的反向阻断电压,同时高浓度的柱区掺杂降低了器件的导通压降,实现了更好的折中关系。

在年,文献[51-52]提出了一种具有夹层超结结构的高性能双向IGBT(SSJ-BIGBT),具体如图17所示。该结构将超结夹在2个对称的N缓冲层之间,整个结构垂直对称,N缓冲层除了截止电场外,还可作为CS层阻挡空穴流出。相比于传统NPT结构,在相同的双向阻断电压下,可显著缩短漂移区厚度,进一步改善了器件的折中关系。

5结语

随着IGBT技术的发展,传统的场截止型结构也越来越接近其理论极限。超结器件凭借其高耐压和低损耗的优点获得了功率半导体行业的广泛

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