超结 IGBT 最新研究进展
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portant; overflow-wrap: break-word !important;">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。 portant;">引言 portant;">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。 portant;">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。 portant;">1 超结原理及传统超结 IGBT 的局限 portant;">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。 portant; overflow-wrap: break-word !important;"> portant;">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： portant; overflow-wrap: break-word !important;"> portant; overflow-wrap: break-word !important;"> portant;">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。 portant;">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 portant;">BV = EcT (3) portant;">式中：BV 为击穿电压；T 为 N 柱或 P 柱的厚度。 portant;">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。 portant;">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。 portant;">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。 portant; overflow-wrap: break-word !important;"> portant;">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。 portant; overflow-wrap: break-word !important;"> portant; overflow-wrap: break-word !important;"> portant; overflow-wrap: break-word !important;"> portant;">具有浮空 P 柱的 SJ-IGBT 结构 portant;">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。 portant;">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。 portant; overflow-wrap: break-word !important;"> portant;">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。 portant; overflow-wrap: break-word !important;"> portant; overflow-wrap: break-word !important;"> |
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