超结 IGBT 最新研究进展

日期:2022-06-10 阅读:254
核心提示: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

来源:机车电传动  第5期
       作者:张金平、肖 翔、张 波(电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室)

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。

引言

作为核心的功率开关器件之一,绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)结合了金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide semiconductor field-effect transistor, 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。portant; overflow-wrap: break-word !important;">加入IGTB行业portant; overflow-wrap: break-word !important;">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。

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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:

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式中:Qn, Qp 分别为 N 柱和 P 柱的电荷;εs 为相对介电常数;E为临界电场;q 为电荷量;N和 N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 600~900 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 2000 年,M. M. De Souza等人首次提出了一种平面型 Cool IBT 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 1 200V 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。

2013 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 100 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。

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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 2003 年,ABB 公司的 Friedhelm D. 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。

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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2010 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 2011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。

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电子科技大学相关团队早在 2010 年就开展了对超结 IGBT 的研究 ;在 2014 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-SJ IGBT 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。

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portant;">在 2016 年,Kwang-Hoon Oh 等人公布了 650 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 250 A/cm2的电流密度下,SJ FS-IGBT 导通压降的典型值降低至 1.4 V,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 2019 年国内华虹集团也报道了 SJ FS-IGBT 的试验结果,展示了很好的器件性能 。

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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2018 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。

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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 2019 年,电子科技大学黄俊等人将应用于 FS IGBT 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 2021 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。

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在 2020 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(Dual Gate-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 -15 V 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。

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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 2017 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 RC IGBT 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。

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在 2019 年,E. M. Findlay 等人提出 Dual implant SJ RC-IGBT 结构 [47],如图 14 所示。Dual implant SJ RC-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。

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在 2017 年,文献 [48-49] 提出了一种具有混合导电模式的沟槽隔离 SJ RC-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SJ MOSFET 和 SJ IGBT 混合导电的功能,其 I-V 特性曲线如图 15(b) 所示。

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在 2016 年,文献 [50] 提出一种 SJ RB-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1 200 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。

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在 2014 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。

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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关注,超结MOSFET 的成功商业化应用也为 IGBT 的发展提供了很好的借鉴,为 IGBT 性能的进一步提升提供了新的思路。然而,超结 IGBT 作为双极型器件,其特性和工作原理与超结 MOSFET 相比有较大的差别,不能直接完全采用超结 MOSFET 的结构,业界已对此开展了较为深入的研究。本文在超结原理分析的基础上,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。随着超结 IGBT 的深入研究和工艺水平的不断发展,超结 IGBT 的性能和可靠性也必将得到进一步的提升,超结 IGBT 的广泛使用也将很快成为现实。

(来源:半导体在线)


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