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平面型与沟槽型IGBT结构浅析

发布日期:2017-08-22  浏览次数:464
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   在现今IGBT表面结构中,平面型和沟槽型可谓是各占半壁江山。很多读者第一次接触到这两个名词的时候,可能会顾名思义地认为,平面型IGBT的电流就是水平流动的,而沟槽栅IGBT的电流就是在垂直方向上流动的。其实这是一个误解,不论平面型还是沟槽型的IGBT,电流都是在垂直方向上流动的。甚至于推而广之,不论IGBT,MOSFET,还是晶闸管,功率二极管,所有我们所熟悉的电力电子器件,为了满足耐压的要求,都会让电流竖直流动。对IGBT来说,空穴电流是从背面的集电极collector,流向正面的发射极emitter;电子电流从emitter出发,经过表面反型沟道,流向背面的collector,如图1所示。

 

 

 

  图1 IGBT中的电流方向

  我们都知道,沟槽型IGBT相比于平面型IGBT,能在不增加关断损耗的前提下,大幅度地降低导通压降。那么,沟槽栅是如何做到的呢?它有三个“绝招”: 消除了JFET效应,沟道密度增加及近表面载流子浓度增加

  消除JFET效应

  沟槽栅结构与平面栅极结构的主要区别在于,当IGBT开通时,P型发射区的反型沟道是垂直的而不是水平的。

  

 

 

 

  图2 平面型及沟槽型IGBT中反型沟道示意图

  在平面栅IGBT中,正向导通时,P阱与n-漂移区形成的PN结处于轻微的反向偏置状态,因而会形成有一定宽度的空间电荷区,它挤占了一定的空间,因此电流只能从一个相对较窄的空间流过,增大了电流通路上的阻抗

  

 

 

 

  图3 平面型IGBT中的JFET效应

  因此,在平面栅IGBT中,在电子流通方向上,包含沟道电阻Rkanal,JFET电阻RJFET,与漂移区电阻Rn-。而沟槽型IGBT,因为沟道垂直,消灭了JFET区域,因而整个电流通路上阻抗更低。

  

 

 

 

  图4 平面及沟槽IGBT导通阻抗对比

  近表面层载流子浓度增加

  对于平面栅极的IGBT,载流子的浓度从集电极到发射极之间逐步降低。新一代IGBT的设计目标是保持集电极到发射极之间的载流子浓度均匀分布,最好是逐步增加,这样可以进一步降低导通损耗,而不会影响拖尾电流和关断损耗。下图是三种不同结构的IGBT漂移区中载流子浓度分布,我们可以看到,在靠近emitter的位置,沟槽型IGBT载流子浓度远高于平面型IGBT。因此,在沟槽型IGBT 中,适当的沟槽宽度与间距可以提高N-区近表面层的载流子浓度,从而减小漂移区电阻Rn-

  

 

 

 

  图5 IGBT中载流子浓度分布

  沟道密度增加

  相比于平面栅极IGBT,沟槽IGBT的垂直结构省去了在硅表面上制作导电沟道的面积,更有利于设计紧凑的元胞。即在同等芯片面积上可以制作更多的IGBT元胞,从而增加导电沟道的宽度,降低沟道电阻。

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  在沟槽型IGBT迅猛崛起的今天,平面型IGBT依然有其一席之地。虽然长江后浪推前浪,但前浪并未被拍死在沙滩上,这是因为沟槽型IGBT依然有不少缺点有待克服

  挖出表面光滑的槽壁技术难度大

  一般沟槽栅IGBT的沟槽宽度仅有1~2um,而深度要达到4、5um甚至更深。在硅表面挖槽靠的是酸腐蚀的方法,精确控制沟槽的宽度和深度是一件很有难度的事情。同时,沟槽壁要尽可能的光滑与少缺陷,因为不光滑的表面会影响击穿电压,降低生产成品率。而且,沟槽底部的倒角也要做得非常圆润,否则电场会在这里集中,严重影响耐压。由此可见沟槽IGBT比平面IGBT工艺难度要高得多。

  较宽的导电沟道会增加IGBT短路时的电流

  前面我们说过了,沟槽型IGBT沟道密度高,它在降低沟道电阻的同时,相应的缺点就是会提高短路电流。最不利的情况就是,短路电流可能会很大,以至于非常短时间内就损坏IGBT。为了使得IGBT具有10µs的短路能力(给定的测试条件下),需要非常小心的设计沟道宽度及相邻的元胞,比如增大元胞的间距,使单个晶元上有效元胞的数量减少。另外一种方法是不要把所有的栅极接到公共栅极,而是把一些单元的栅极和发射极直接短路。后者称为插入合并单元工艺。通过上述工艺,能够降低沟道密度,从而降低短路电流,增强器件短路能力。

  来源:英飞凌工业半导体


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