IGBT：平面型與溝槽型結(jié)構(gòu)特性詳解-KIA MOS管

平面型與溝槽型IGBT

很多讀者第一次接觸到這兩個(gè)名詞的時(shí)候，可能會(huì)顧名思義地認(rèn)為，平面型IGBT的電流就是水平流動(dòng)的，而溝槽柵IGBT的電流就是在垂直方向上流動(dòng)的。

其實(shí)這是一個(gè)誤解，不論平面型還是溝槽型的IGBT，電流都是在垂直方向上流動(dòng)的。

甚至于推而廣之，不論IGBT，MOSFET，還是晶閘管，功率二極管，所有我們所熟悉的電力電子器件，為了滿足耐壓的要求，都會(huì)讓電流豎直流動(dòng)。

對(duì)IGBT來說，空穴電流是從背面的集電極collector，流向正面的發(fā)射極emitter；電子電流從emitter出發(fā)，經(jīng)過表面反型溝道，流向背面的collector，如圖1所示。

圖1：IGBT中的電流方向

溝槽型IGBT相比于平面型IGBT，能在不增加關(guān)斷損耗的前提下，大幅度地降低導(dǎo)通壓降。溝槽柵是如何做到的呢？它有三個(gè)“絕招”：消除了JFET效應(yīng)，溝道密度增加及近表面載流子濃度增加。

消除JFET效應(yīng)

溝槽柵結(jié)構(gòu)與平面柵極結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于，當(dāng)IGBT開通時(shí)，P型發(fā)射區(qū)的反型溝道是垂直的而不是水平的。

圖2：平面型及溝槽型IGBT中反型溝道示意圖

在平面柵IGBT中，正向?qū)〞r(shí)，P阱與n-漂移區(qū)形成的PN結(jié)處于輕微的反向偏置狀態(tài)，因而會(huì)形成有一定寬度的空間電荷區(qū)，它擠占了一定的空間，因此電流只能從一個(gè)相對(duì)較窄的空間流過，增大了電流通路上的阻抗。

圖3：平面型IGBT中的JFET效應(yīng)

因此，在平面柵IGBT中，在電子流通方向上，包含溝道電阻Rkanal，JFET電阻RJFET，與漂移區(qū)電阻Rn-。而溝槽型IGBT，因?yàn)闇系来怪保麥缌薐FET區(qū)域，因而整個(gè)電流通路上阻抗更低。

圖4：平面及溝槽IGBT導(dǎo)通阻抗對(duì)比

近表面層載流子濃度增加

對(duì)于平面柵極的IGBT，載流子的濃度從集電極到發(fā)射極之間逐步降低。

新一代IGBT的設(shè)計(jì)目標(biāo)是保持集電極到發(fā)射極之間的載流子濃度均勻分布，最好是逐步增加，這樣可以進(jìn)一步降低導(dǎo)通損耗，而不會(huì)影響拖尾電流和關(guān)斷損耗。

下圖是三種不同結(jié)構(gòu)的IGBT漂移區(qū)中載流子濃度分布，我們可以看到，在靠近emitter的位置，溝槽型IGBT載流子濃度遠(yuǎn)高于平面型IGBT。

因此，在溝槽型IGBT 中，適當(dāng)?shù)臏喜蹖挾扰c間距可以提高N-區(qū)近表面層的載流子濃度，從而減小漂移區(qū)電阻Rn-。

圖5：IGBT中載流子濃度分布

溝道密度增加溝道密度增加

溝道密度增加

相比于平面柵極IGBT，溝槽IGBT的垂直結(jié)構(gòu)省去了在硅表面上制作導(dǎo)電溝道的面積，更有利于設(shè)計(jì)緊湊的元胞。

即在同等芯片面積上可以制作更多的IGBT元胞，從而增加導(dǎo)電溝道的寬度，降低溝道電阻。

在溝槽型IGBT迅猛崛起的今天，平面型IGBT依然有其一席之地。這是因?yàn)闇喜坌虸GBT依然有不少缺點(diǎn)有待克服。

1）挖出表面光滑的槽壁技術(shù)難度大

一般溝槽柵IGBT的溝槽寬度僅有1~2um，而深度要達(dá)到4、5um甚至更深。

在硅表面挖槽靠的是酸腐蝕的方法，精確控制溝槽的寬度和深度是一件很有難度的事情。同時(shí)，溝槽壁要盡可能的光滑與少缺陷，因?yàn)椴还饣谋砻鏁?huì)影響擊穿電壓，降低生產(chǎn)成品率。

而且，溝槽底部的倒角也要做得非常圓潤(rùn)，否則電場(chǎng)會(huì)在這里集中，嚴(yán)重影響耐壓。由此可見溝槽IGBT比平面IGBT工藝難度要高得多。

2）較寬的導(dǎo)電溝道會(huì)增加IGBT短路時(shí)的電流

溝槽型IGBT溝道密度高，它在降低溝道電阻的同時(shí)，相應(yīng)的缺點(diǎn)就是會(huì)提高短路電流。

最不利的情況就是，短路電流可能會(huì)很大，以至于非常短時(shí)間內(nèi)就損壞IGBT。

為了使得IGBT具有10μs的短路能力（給定的測(cè)試條件下），需要非常小心的設(shè)計(jì)溝道寬度及相鄰的元胞，比如增大元胞的間距，使單個(gè)晶元上有效元胞的數(shù)量減少。

另外一種方法是不要把所有的柵極接到公共柵極，而是把一些單元的柵極和發(fā)射極直接短路。后者稱為插入合并單元工藝。

通過上述工藝，能夠降低溝道密度，從而降低短路電流，增強(qiáng)器件短路能力。

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