來源：機車電傳動 第5期
作者：張金平、肖 翔、張 波（電子科技大學(xué) 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室）
隨著絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）技術(shù)的發(fā)展，目前主流的場截止型結(jié)構(gòu)越來越接近其理論極限。超結(jié)被譽為“功率 MOS 的里程碑”，近年來也被引入 IGBT 以進(jìn)一步提升器件性能。超結(jié) IGBT 結(jié)合了場截止型 IGBT 和超結(jié)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，可在更短漂移區(qū)長度下實現(xiàn)高耐壓和低損耗。然而，作為一種雙極型器件，超結(jié)IGBT 具有與超結(jié) MOSFET 不同的工作原理。文章從超結(jié)原理出發(fā)，揭示了超結(jié) IGBT 的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，并對超結(jié) IGBT 的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了梳理和概括。
引言
作為核心的功率開關(guān)器件之一，絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）結(jié)合了金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（metal-oxide semiconductor field-effect transistor, MOSFET）和雙極結(jié)型晶體管（BJT）的優(yōu)點，已在新能源汽車、智能電網(wǎng)、軌道交通、工業(yè)控制、通信電源、消費電子等領(lǐng)域的中高功率電力電子裝置中獲得廣泛的應(yīng)用。
自 IGBT 問世以來，通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新，器件結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)獲得了長足的進(jìn)步，產(chǎn)品已經(jīng)歷了7代的發(fā)展。通過采用溝槽柵、場截止（FS）、輕穿通（LPT）、軟穿通（SPT）、載流子存儲（CS）層 、浮空 P 型區(qū)、虛擬柵、微溝槽柵（MPT）、薄片加工 、背面 H 離子注入等產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，器件的可靠性、應(yīng)用頻率和功率損耗等均有了很大提升。近年，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，各種器件新結(jié)構(gòu)（如發(fā)射極嵌入（RET）結(jié)構(gòu)、分裂柵結(jié)構(gòu)、自偏置 PMOS結(jié)構(gòu) 、二極管偏置浮空 P 型區(qū)結(jié)構(gòu) 等）也相繼被提出，提升了器件的性能和可靠性，IGBT 結(jié)構(gòu)和技術(shù)越來越接近其理論極限。通過較高摻雜濃度 N 柱、P 柱的相互耗盡和電荷補償作用，超結(jié)（SJ）結(jié)構(gòu)打破了單一載流子器件的“硅極限”，在較短的漂移區(qū)長度下可實現(xiàn)高耐壓，被譽為“功率 MOS 的里程碑”，已在功率 MOSFET 領(lǐng)域獲得了極大的成功 。具有超結(jié)漂移區(qū)的超結(jié) IGBT 結(jié)合了 FS-IGBT 和超結(jié)的優(yōu)點，可實現(xiàn)高的耐壓和低的損耗，為 IGBT 性能的進(jìn)一步提升提供了新的思路。portant; overflow-wrap: break-word !important;">加入IGTB行業(yè)portant; overflow-wrap: break-word !important;">交流群，加VX：tuoke08。然而，作為一種雙極型器件，超結(jié) IGBT 具有與超結(jié) MOSFET 不一樣的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，本文從超結(jié)原理出發(fā)，揭示超結(jié)IGBT 的結(jié)構(gòu)特點和工作機制，并對超結(jié) IGBT 最新研究進(jìn)展進(jìn)行梳理和概括。
1 超結(jié)原理及傳統(tǒng)超結(jié) IGBT 的局限
超結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1(a) 所示，在垂直耐壓方向周期性排列的 N 柱和 P 柱，替代了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中均勻摻雜的 N 型漂移區(qū)。當(dāng)器件承受高壓時，N 柱和 P 柱之間的耗盡層在水平方向擴展；與傳統(tǒng)的器件不同，N柱和 P 柱的相互耗盡會產(chǎn)生橫向電場，使得電場分布變得更為平坦，改善了電場尖峰現(xiàn)象，如圖1(b)所示。
為確保擊穿時 N 柱和 P 柱全耗盡，并能實現(xiàn)最佳電荷補償，二者的電荷與臨界電場之間需要滿足以下的關(guān)系式：
">
式中：Qn, Qp 分別為 N 柱和 P 柱的電荷；εs 為相對介電常數(shù)；Ec 為臨界電場；q 為電荷量；ND 和 NA 分別為N 柱和 P 柱摻雜濃度；Wn 和 Wp 分別為 N 柱和 P 柱寬度。
在電荷平衡的狀態(tài)下，N 柱區(qū)電離正電荷發(fā)出的電場線幾乎全部終止于臨近 P 柱區(qū)，超結(jié)在耐壓方向上可粗略視為“本征層”，此時擊穿電壓為
BV = EcT (3)
式中：BV 為擊穿電壓；T 為 N 柱或 P 柱的厚度。
據(jù)式 (3) 可知，N 柱和 P 柱的摻雜濃度可以比傳統(tǒng)器件漂移區(qū)的摻雜濃度提高 1~2 個數(shù)量級，極大地降低了器件比導(dǎo)通電阻 Ron,sp，突破了傳統(tǒng) Ron,sp ∝ BV2.5 的“硅極限”關(guān)系，使其降低為 1.32 次方 。本團(tuán)隊章文通等人提出的超結(jié)非全耗盡 NFD 耐壓模式，可使比導(dǎo)通電阻進(jìn)一步降低，實現(xiàn)了 Ron,sp ∝ BV1.03 的準(zhǔn)線性關(guān)系。目前，超結(jié) MOSFET 的產(chǎn)品主要覆蓋 600~900 V 應(yīng)用范圍。
通過將圖 2(a) 所示的超結(jié) MOSFET 背面的 N+ 襯底替換為 N 型 FS 層和 P 型集電區(qū)，獲得了如圖 2(b)所示的超結(jié) IGBT 結(jié)構(gòu)。在 2000 年，M. M. De Souza等人首次提出了一種平面型 Cool IBT 結(jié)構(gòu) [27]，由此揭開了對超結(jié) IGBT 研究的序幕。相比傳統(tǒng)的 FS-IGBT，超結(jié) IGBT 可降低正向?qū)▔航?Vce(on)，并可實現(xiàn) Vce(on)和關(guān)斷損耗 Eoff 的更優(yōu)折中。在相同的電壓等級 1 200V 下，超結(jié) IGBT 的漂移區(qū)長度可比 FS-IGBT 減小10%~20%；在關(guān)斷過程中，N 柱和 P 柱的相互耗盡可加速載流子的抽取，進(jìn)一步降低器件的關(guān)斷損耗。
2013 年，ST 公司利用多次外延的工藝首次制造出了平面型超結(jié) IGBT，其結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。試驗結(jié)果表明，在 100 A/cm2的電流密度下，超結(jié) PT-IGBT 的導(dǎo)通壓降相比傳統(tǒng)平面 PT-IGBT 降低了 25%，而且具有更低的關(guān)斷損耗和更短的米勒平臺。
然而，作為雙極型器件，超結(jié) IGBT 并不能完全照搬超結(jié) MOSFET 的設(shè)計思路。在 2003 年，ABB 公司的 Friedhelm D. Bauer 首次詳細(xì)對比了超結(jié) MOSFET和 IGBT 結(jié)構(gòu)差異帶來的特性變化。傳統(tǒng)超結(jié) IGBT沿用了超結(jié) MOSFET 中 P 柱區(qū)與 P 型基區(qū)直接相連的結(jié)構(gòu)特點，導(dǎo)致對于不同摻雜濃度的 N 柱和 P 柱，超結(jié) IGBT 在正向?qū)〞r，導(dǎo)電機制會在“雙極 - 單極”之間轉(zhuǎn)換 ，如圖 4 所示。由于 P 柱區(qū)提供了直接連接 P 型基區(qū)的空穴抽取通道，影響了正向?qū)ㄏ聜鹘y(tǒng)超結(jié) IGBT 的電導(dǎo)調(diào)制水平，使具有中等摻雜 N 柱區(qū)和P柱區(qū)濃度的超結(jié)IGBT表現(xiàn)出較大的Vce(on)。因此，如何進(jìn)一步提高超結(jié) IGBT 漂移區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制水平和優(yōu)化載流子濃度分布，是實現(xiàn)高性能超結(jié) IGBT 亟需解決的問題。
具有浮空 P 柱的 SJ-IGBT 結(jié)構(gòu)
為了抑制與 P 型基區(qū)直接相連的 P 柱區(qū)在導(dǎo)通狀態(tài)下對漂移區(qū)（特別是中等摻雜濃度 N 柱區(qū)和 P 柱區(qū)）空穴的抽取，增強漂移區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制，可采用具有浮空 P 柱的 SJ-IGBT 結(jié)構(gòu)，通過將 P 柱和 P 型基區(qū)分離，抑制了空穴從 P 柱向 P 型基區(qū)直接流出?；诖?，在2010 年，英國劍橋大學(xué) M.Antoniou 等人提出了如圖5(a)所示的具有浮空P柱的溝槽柵半超結(jié)IGBT結(jié)構(gòu)。
該結(jié)構(gòu)在較寬的溝槽柵極下方形成 P 柱區(qū)，使 P 柱與P 型基區(qū)不相連，進(jìn)而增強了電導(dǎo)調(diào)制作用。在 2011年，M.Antoniou 等人提出了如圖 5(b) 所示的具有 N 型注入層（N-injector）的“SPT+ SJ-IGBT”新結(jié)構(gòu) 。該結(jié)構(gòu)在 N 柱和 P 柱上方引入較高濃度的 N 型注入層，將 P 柱與 P 型基區(qū)隔離開，阻止了空穴從發(fā)射極直接流出，其較高濃度的 N 型注入層作為有效的空穴勢壘，進(jìn)一步提高了發(fā)射極一側(cè)的載流子濃度，獲得了更好的折中關(guān)系。值得注意的是，與具有 CS 層的傳統(tǒng)平面型 IGBT 結(jié)構(gòu)相似，文中 N 型注入層（N-injector）選取的濃度較低，當(dāng)其濃度超過一定范圍后，器件會發(fā)生提前擊穿，導(dǎo)致耐壓降低。
電子科技大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊早在 2010 年就開展了對超結(jié) IGBT 的研究 ；在 2014 年作者等人提出了在P 柱和 P 型基區(qū)間引入埋氧化層，提出了如圖 6 所示的溝槽柵 BO-SJ IGBT 結(jié)構(gòu) 。該結(jié)構(gòu)采用氧化層作為空穴阻擋層和隔離層，顯著提高了發(fā)射極一側(cè)的空穴濃度，進(jìn)而降低了器件的導(dǎo)通壓降，特別是 N 柱區(qū)和 P 柱區(qū)具有中等摻雜濃度下的導(dǎo)通壓降，并改善了“Vce(on)-Eoff”折中關(guān)系，如圖 7 所示。
portant;">在 2016 年，Kwang-Hoon Oh 等人公布了 650 V 平面型超結(jié) IGBT 的試驗結(jié)果，展示了超結(jié) FS-IGBT和超結(jié) NPT-IGBT 結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性能，在 250 A/cm2的電流密度下，SJ FS-IGBT 導(dǎo)通壓降的典型值降低至 1.4 V，與傳統(tǒng) FS-IGBT 相比優(yōu)勢明顯；同時，在不同柵壓下進(jìn)行了短路測試，結(jié)果表明，超結(jié) NPT-IGBT 具有更好的短路能力。其中，導(dǎo)通特性和“關(guān)斷下降時間 -導(dǎo)通壓降”的折中關(guān)系如圖 8 所示。在 2019 年國內(nèi)華虹集團(tuán)也報道了 SJ FS-IGBT 的試驗結(jié)果，展示了很好的器件性能 。
具有 P 柱連接可變的 SJ-IGBT 結(jié)構(gòu)
具有浮空 P 柱的 SJ-IGBT 結(jié)構(gòu)增強了器件導(dǎo)通時的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，改善了正向?qū)▔航岛?“Vce(on)-Eoff”的折中關(guān)系，但是浮空的 P 柱區(qū)也影響了器件關(guān)斷時對空穴的抽取。為了進(jìn)一步提升 SJ-IGBT 的性能，業(yè)界相繼提出了多種 P 柱連接可變的 SJ-IGBT 結(jié)構(gòu)。在2018 年，四川大學(xué)黃銘敏等人提出了一類具有載流子注入增強結(jié)構(gòu)的超結(jié) IGBT（CSE-SJ-IGBT）結(jié)構(gòu)，如圖 9 所示。通過將 P 柱與肖特基二極管（或多晶硅二極管）串聯(lián)，利用二極管較高的開啟壓降提高空穴的費米勢，形成空穴勢壘，增強了正向?qū)〞r超結(jié)漂移區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制，進(jìn)而降低了器件的正向?qū)▔航怠?/p>
在器件關(guān)斷時，隨著集電極電壓的增加，二極管正向?qū)?，空穴通過 P 柱和二極管形成的路徑流出發(fā)射極，從而加快了空穴抽取速度，降低了關(guān)斷損耗。
在 2019 年，電子科技大學(xué)黃俊等人將應(yīng)用于 FS IGBT 中的自偏置 PMOS 結(jié)構(gòu)應(yīng)用到 SJ-IGBT 中，提出了如圖 10 所示的具有自偏置 PMOS 的 SJ-IGBT 結(jié)構(gòu) 。結(jié)構(gòu)中較高摻雜濃度的 N-base 區(qū)在器件導(dǎo)通時作為空穴勢壘，阻擋空穴流出。關(guān)斷時隨著集電極電壓的增高，當(dāng) A 處的電勢升高至超過 PMOS 的閾值電壓時，PMOS 自動開啟，為空穴提供額外的抽取通道，加快了電流的關(guān)斷，進(jìn)而降低了關(guān)斷損耗。
在 2021 年，電子科技大學(xué)魏杰等人在浮空 P 柱SJ-IGBT 結(jié)構(gòu)（圖 5(a)）的基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步的改進(jìn)，提出了如圖 11 所示的 SAHE-SJ-IGBT 結(jié)構(gòu)。SAHESJ-IGBT 將柵極一分為二，中間為輕摻雜 P 型區(qū)，導(dǎo)通時輕摻雜 P 型區(qū)被柵電壓耗盡，并進(jìn)一步反型形成空穴勢壘，阻止空穴流出；器件關(guān)斷時，輕摻雜 P 型區(qū)變?yōu)橹行詤^(qū)，P 柱直接與發(fā)射極連接，形成正常的空穴通道，加快了空穴的抽取，降低了關(guān)斷損耗，進(jìn)而改善了折中關(guān)系。
在 2020 年，香港科技大學(xué)魏進(jìn)等人引入額外的電極偏置，提出了如圖 12 所示的 DG-SJ-IGBT（Dual Gate-SJ-IGBT）結(jié)構(gòu) [42]。DG-SJ-IGBT 在浮空 P 柱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入獨立的溝槽電極 AG，當(dāng)器件關(guān)斷時，AG 連接 -15 V 電壓，在 P 柱上方的 N 型區(qū)域形成空穴反型層，從而形成與發(fā)射極連接的空穴溝道，加快了空穴的抽取，而當(dāng)器件處于導(dǎo)通狀態(tài)時，AG 接 15V 電壓，此時 P 柱上方的 N 型區(qū)域形成電子的積累層，P 柱處于浮空狀態(tài)。這樣在不影響導(dǎo)通特性的條件下，DG-SJ-IGBT 的關(guān)斷損耗降低。因此，與浮空 P 柱結(jié)構(gòu)相比，其折中關(guān)系更優(yōu)，但是雙柵結(jié)構(gòu)的引入也增加了柵極控制的難度。
逆導(dǎo)型、逆阻型和雙向 SJ-IGBT 結(jié)構(gòu)
在實際電路應(yīng)用中，IGBT 單獨工作往往難以完成所需的功能。在 H 橋等拓?fù)鋺?yīng)用中，IGBT 兩端需要與續(xù)流二極管（FWD）反并聯(lián)使用；在矩陣變換器中，IGBT 需要與二極管串聯(lián)以實現(xiàn)反向阻斷功能，并進(jìn)一步實現(xiàn)雙向開關(guān)功能。然而，與二極管的串聯(lián)或并聯(lián)增加了器件封裝后的面積和引線數(shù)量，不利于器件功率密度的進(jìn)一步提升，同時增加的引線數(shù)量也會影響器件的可靠性。為了實現(xiàn)更高的集成度，業(yè)界相繼提出了具有逆導(dǎo)（RC）、逆阻（RB）和雙向功能的IGBT 器件。近年來，隨著 SJ-IGBT 技術(shù)的發(fā)展，逆導(dǎo)型、逆阻型和雙向 SJ-IGBT 結(jié)構(gòu)也相繼被提出。
雖然逆導(dǎo) IGBT 減小了芯片面積，更利于集成，但 N 型集電極的引入使得器件在導(dǎo)通時存在 snapback效應(yīng)，大量的研究主要從陽極工程 [43-44] 入手改善。超結(jié) RC-IGBT 最初在發(fā)射極（陰極）附近引入超結(jié)結(jié)構(gòu)，如圖 13 所示，結(jié)果表明超結(jié)的引入可以改善snapback 效應(yīng)，但效果不理想。在 2017 年，M.Antoniou等人提出在陽極側(cè)引入超結(jié) [46]，相比于在陰極側(cè)引入超結(jié)，該結(jié)構(gòu)無需考慮 P 柱與陰極的位置關(guān)系。仿真結(jié)果表明，陽極超結(jié) RC-IGBT 結(jié)構(gòu)可很好地抑制 RC IGBT 的 snapback 效應(yīng)，而且當(dāng)超結(jié)延伸整個漂移區(qū)時，snapback 效應(yīng)基本被消除。
在 2019 年，E. M. Findlay 等人提出 Dual implant SJ RC-IGBT 結(jié)構(gòu) [47]，如圖 14 所示。Dual implant SJ RC-IGBT 包含 2 部分超結(jié)結(jié)構(gòu)，一部分靠近陰極，另一部分靠近陽極，靠近陽極一側(cè)的超結(jié)可以不與靠近陰極一側(cè)的超結(jié)對齊，同時可以利用 2 個硅片分別制作正面和背面的超結(jié)，再通過晶圓鍵合工藝將硅片鍵合，彌補了目前超結(jié)工藝上的限制。該結(jié)構(gòu)很好地抑制 snapback 效應(yīng)，而且當(dāng) 2 個超結(jié)間距為 0 時，snapback 效應(yīng)抑制效果最好。
在 2017 年，文獻(xiàn) [48-49] 提出了一種具有混合導(dǎo)電模式的溝槽隔離 SJ RC-IGBT 結(jié)構(gòu)（見圖 15(a)），其結(jié)構(gòu)在單元胞內(nèi)完全消除了 snapback 效應(yīng)，并具有SJ MOSFET 和 SJ IGBT 混合導(dǎo)電的功能，其 I-V 特性曲線如圖 15(b) 所示。
在 2016 年，文獻(xiàn) [50] 提出一種 SJ RB-IGBT，具體結(jié)構(gòu)如圖 16 所示。當(dāng)這種結(jié)構(gòu)的 IGBT 反向阻斷時，利用 SCT 電極輔助耗盡高濃度的 N1 層，獲得超過1 200 V 的反向阻斷電壓，同時高濃度的柱區(qū)摻雜降低了器件的導(dǎo)通壓降，實現(xiàn)了更好的折中關(guān)系。
在 2014 年，文獻(xiàn) [51-52] 提出了一種具有夾層超結(jié)結(jié)構(gòu)的高性能雙向 IGBT（SSJ-BIGBT），具體如圖17 所示。該結(jié)構(gòu)將超結(jié)夾在 2 個對稱的 N 緩沖層之間，整個結(jié)構(gòu)垂直對稱，N 緩沖層除了截止電場外，還可作為 CS 層阻擋空穴流出。相比于傳統(tǒng) NPT 結(jié)構(gòu)，在相同的雙向阻斷電壓下，可顯著縮短漂移區(qū)厚度，進(jìn)一步改善了器件的折中關(guān)系。
結(jié)語
隨著 IGBT 技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的場截止型結(jié)構(gòu)也越來越接近其理論極限。超結(jié)器件憑借其高耐壓和低損耗的優(yōu)點獲得了功率半導(dǎo)體行業(yè)的廣泛關(guān)注，超結(jié)MOSFET 的成功商業(yè)化應(yīng)用也為 IGBT 的發(fā)展提供了很好的借鑒，為 IGBT 性能的進(jìn)一步提升提供了新的思路。然而，超結(jié) IGBT 作為雙極型器件，其特性和工作原理與超結(jié) MOSFET 相比有較大的差別，不能直接完全采用超結(jié) MOSFET 的結(jié)構(gòu)，業(yè)界已對此開展了較為深入的研究。本文在超結(jié)原理分析的基礎(chǔ)上，揭示了超結(jié) IGBT 的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，并對超結(jié) IGBT 的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了梳理和概括。隨著超結(jié) IGBT 的深入研究和工藝水平的不斷發(fā)展，超結(jié) IGBT 的性能和可靠性也必將得到進(jìn)一步的提升，超結(jié) IGBT 的廣泛使用也將很快成為現(xiàn)實。
（來源：半導(dǎo)體在線）
