600V槽栅IGBT优良性能的机理分析

吴 郁，周 璇，金 锐，胡冬青，贾云鹏，谭 健，赵 豹，李 哲

（1.北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京 100124；2.国网智能电网研究院电工新材料及微电子研究所，北京 100192）

600V槽栅IGBT优良性能的机理分析

吴 郁1，周 璇1，金 锐2，胡冬青1，贾云鹏1，谭 健1，赵 豹1，李 哲1

（1.北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京 100124；2.国网智能电网研究院电工新材料及微电子研究所，北京 100192）

槽栅结构对功率绝缘栅双极晶体管（insulate gate bipolar transistor，IGBT）的影响主要是n-漂移区的电导调制而不是对沟道电阻的改善，为了论证这一问题，采用仿真工具Sentaurus TCAD，针对600 V的Trench IGBT和Planar IGBT两种结构的阻断特性、导通特性和开关特性等进行仿真分析，重点研究了2种结构在导通态时n-漂移区和沟道区各自所占的通态压降的比例以及n-漂移区内的过剩载流子数量.结果表明:2种结构的沟道区压降所占比例较小且相差很少，槽栅结构的n-漂移区内载流子数量远超平面栅结构，电导调制效果更好，即槽栅结构主要是对n-漂移区的电导调制的改善.同时研究了2种IGBT结构的Eoff-VCE（on）折中曲线，发现槽栅IGBT具有更低的通态压降和关断损耗.

绝缘栅双极晶体管（insulate gate bipolar transistor，IGBT）；槽栅；平面栅；通态压降；关断损耗

随着电力电子技术的发展，由于绝缘栅双极晶体管（insulate gate bipolar transistor，IGBT）兼具大电流双极导电和低功耗金属氧化物半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET）绝缘栅驱动2种特性，因而在逆变器和大功率电气系统中具有独特优势，应用日益成熟广泛，目前正向着更低的功耗、更快的速度和更小的体积发展.其中，从平面栅结构到槽栅结构的技术发展，不仅减小了芯片面积，增大了沟道宽度和密度，而且在降低通态压降的同时也减小了开关时间，使器件关断能耗Eoff与通态压降VCE（on）的折中特性获得更好优化［1］，有利于显著降低器件的总功耗.

对于槽栅结构改善IGBT性能的内在机理，一些人在认识上或多或少存在一些偏差，往往沿用槽栅功率MOS的思路，认为槽栅结构的主要作用是改善沟道电阻和消除JFET区电阻，虽然也有国外教材和文献简略地提到槽栅结构主要影响的是n-漂移区的电导调制，但对这一结论往往缺少细致的定量化分析和机理解释［2］，使得人们对这一问题的理解往往不够清晰和深入.鉴于这种情况，本文基于仿真计算，通过分析器件结构内部电位分布、背p-n结注入效率和过剩载流子的分布及变化，并结合外部端特性的静态和动态数据，对槽栅IGBT具有优越性能的内在机理进行了探讨和阐述，即相比于平面栅结构，槽栅结构的性能优势主要来源于槽栅结构对n-区电导调制的改善，而不是其对沟道电阻的改善.同时，在具有相同通态压降且n-区厚度亦相同的2种结构中，槽栅IGBT的开关速度优于平面栅结构的原因给出了分析和解释.

本文的分析针对600 V平面栅和槽栅IGBT进行，其耐压层结构采用了带有n缓冲层的穿通结构，背p区设置为弱发射区，整体上构成了所谓的场中止型（field stop，FS）IGBT［3］.

1 器件结构与仿真计算

1.1器件结构

图1（a）为本文所分析的600 V FS型平面栅IGBT元胞结构示意图，芯片厚度为70 μm，元胞周期为25 μm.图1（b）为FS型槽栅IGBT的结构示意图，芯片厚度同样为70 μm，且其背p-n结结深、n型缓冲层浓度和深度等均与平面栅IGBT相同，但元胞周期减小为13.5 μm，其中的槽栅宽度为1.5 μm.

1.2仿真计算

采用Sentaurus TCAD仿真工具，对IGBT的静态特性和开关特性进行了计算和分析.其中，开关特性的仿真，基于图2所示的感性负载电路，采用混合模式（mixed mode）进行［4］.由于这2种结构（对应2代不同的产品）的典型的芯片面积不同［5］，故设定不同的面积因子，使二者在不同的电流密度下达到相同的额定电流40 A.尽管在相同的额定电流下，槽栅结构的电流密度为2.67 A/mm2，明显大于平面栅结构的1.43 A/mm2，计算结果表明，其性能仍然能超越后者.

2 仿真结果及分析

2.1静态特性

击穿特性方面，由于仿真计算仅针对元胞区进行，未引入结终端，考虑到结终端的降额效应，以及实际工艺与仿真之间存在的误差，因此在仿真设计留出了足够的余量［6］.如图3所示，对于600 V器件，采用了合理的n-区/n缓冲层/背p区的浓度和厚度后（与常见器件实测值一致），2种结构击穿电压均为1 000 V左右.

通态特性方面，通过提取通态下器件内部的电位分布数据并进行适当处理，可以获得典型情况下2种IGBT内部各区域压降占总压降的比例，所得结果见表1.首先，2种结构中其主要的分压区域都是n-漂移区（在前者中约占57％，后者中约占44％），而沟道区虽略有影响（10％或稍多），但属于次要因素.至于背p-n结，因其压降的绝对数值是相对固定的（0.7 V左右），故其相对值取决于其他可变成分.因此，改善总通态压降的关键在于降低n-区分压，常用方法包括进一步减薄n-区（同时保证耐压），强化其电导调制效果等.

其次，典型情况下，槽栅与平面栅器件内部分压的显著区别在于其漂移区（缓冲层部分可忽略）的分压比有了明显的降低（其他分量的比例均相应增加），这说明槽栅结构的优势可能并不是简单地体现在改善沟道区电阻上，而是更多地体现在改善n-漂移区电导调制上.可以预期，在n-区/n缓冲层/ 背p区厚度和浓度相同的情况下，槽栅IGBT的通态下降将显著低于平面栅结构.

表1　典型情况下平面栅和槽栅IGBT在导通态下内部不同区域所占的分压比例Table 1 Breakdown of voltage drops of different regions for typical planar and trench IGBTs in the onstate％

2.2槽栅结构改善n-区电导调制的机理分析

如上所述，取相同的n-区/n缓冲层/背p区厚度和浓度，对槽栅和平面栅结构的通态情况进行了计算，其VCE（on）值分别为2.0、3.7 V，前者显著低于后者，对应于图4中的点A和点B.同时，提取了通态下的器件内部空穴分布数据，对应于图5（a）（b），以及图6中的曲线A和B.从图5、6的相应数据可以看出，在n-区/n缓冲层/背p区厚度和浓度相同，即背p-n结注入效率相同或接近的情况下，槽栅结构的n-区电导调制获得了明显的改善，从而可以解释二者在VCE（on）值上的显著差别.由于背p区和耐压层结构相同，这一差异显然是正面栅极和元胞结构不同所带来的.

具体分析其背后的机理，首先要建立起IGBT 中p-n-p分区和p-i-n分区的概念.如文献［7］所述，IGBT中含有p-n-p分区（对应p阱及其下方的n-区/n缓冲层/背p区）和p-i-n分区（对应相邻2 个p阱之间的区域）.两者对n-区过剩电荷的影响是不同的，前者对过剩空穴有收集作用，因而会减少过剩载流子的积累，进而减弱电导调制的效果；而后者则可以保持过剩载流子的积累，进而强化电导调制的效果.正面栅和元胞的结构变化之所以能对n-区电导调制产生影响，主要是因为其p-n-p分区面积占芯片面积的百分比发生了变化.在本文所计算的2种结构中，平面栅结构的p-n-p分区面积（含p阱两侧的曲面面积）百分比高达84.1％，而在槽栅结构中这个比例仅为54.0％.因此，后者对n-区电导调制将更加有利.对整个芯片n-区和缓冲层内的空穴浓度进行积分可以求出n基区内的过剩电荷的数量Qp，图5（a）（槽栅）中，Qp=6.33×1012/ mm2，图5（b）（平面栅）中，Qp=3.61×1012/mm2，前者为后者的近2倍.这就很好地解释了在背p区和耐压层结构相同的情况下，槽栅结构即便在电流密度偏大（如前所述其芯片面积按典型产品实际情况取得偏小）的情况下，其通态压降仍能优于平面栅结构这一结果.

2.3折中特性分析

不断调整背p区浓度，并计算相应的通态和关断过程数据，可获得一系列VCE（on）和Eoff坐标点，连接这些点即可描绘出该IGBT的折中曲线，见图4.可以看出，槽栅的折中曲线因其更靠近原点，故优于平面栅结构.仿真计算获得的这一趋势与典型产品的实测值及相关文献［1］中的结果是一致的，表明仿真结果是可信的.

为理解表象背后的内在原因，不妨从图4中的点A和点C入手进行分析.其中点C是在其他参数不变的条件下，充分提高平面栅IGBT的背p区的表面掺杂浓度后获得的，它与点A（槽栅）的VCE（on）相同.可以看出，二者的VCE（on）虽然相同了，但点C（平面栅）的Eoff却显著增大了.为进一步分析，需借助二者的空穴分布及背p-n结注入效率γp数据.点A和C所对应空穴密度分布参见图5（a）（c），以及图6中的曲线A和C.其中图6是通态下沿相邻p阱间垂直平分线上的空穴浓度分布，是从图5各图的右边界处截取的，并且还标出了由仿真数据计算出的不同曲线所对应的背p-n结的注入效率γp的数值，以及n-区和缓冲层内的过剩空穴数量Qp.如前所述，由于平面栅p阱面积比例大，收集空穴的能力强，会使得它的过剩空穴分布从芯片背面至正面（即图6中从右至左）迅速衰减，电导调制效果每况愈下，在空穴分布的低谷处形成很大的串联电阻.因此，可以预期，为弥补这一损失，提高低谷处的空穴密度，就必须将背面侧的过剩空穴密度提得很高，才能获得与槽栅（曲线A）相同的通态压降.这正是从曲线B至曲线C（二者均对应平面栅）的变化趋势.与曲线B相比，由于曲线C的背p区掺杂浓度增大了，故相应的γp数值亦随之增加（由26.5％增至30.6％），这就使得曲线C在芯片背面侧的过剩空穴密度大大增加，在3根曲线中非常突出.这种局部密度的陡然提升，所带来的是整体Qp数值显著增高（从曲线B的3.61×1012/mm2增至1.48× 1013/mm2，已超过曲线A（槽栅）的6.33×1012/ mm2）.与此同时，曲线C的γp增大，即流过背p-n结的电子电流比例降低，还意味着减缓了器件关断时过剩电子的抽取速度.最终，与曲线A（槽栅）相比，曲线C（平面栅）在关断时所面对的是更多的待抽取电荷数量Qp和更慢的过剩电子抽取速度，因此其关断时间必将被延长，关断能耗Eoff随之增大.这就是为什么图4中相同VCE（on）的点A和点C，其Eoff会有明显差别.究其根本，还是在于槽栅结构因减弱了空穴收集作用而形成的对n-区电导调制的改善作用.同理可知，平面栅IGBT折中曲线上每个点的Eoff都会比相同VCE（on）下的槽栅IGBT大，最终的结果就是槽栅IGBT的折中曲线整体上要比平面栅IGBT的更接近原点.

3 讨论

本文主要针对600 V IGBT进行了研究和分析. 600 V在IGBT领域属于低压端，处于MOSFET和IGBT应用的交叠区，其n-漂移区偏薄，故IGBT的沟道电阻对通态压降有一定的影响（约10％），因此，槽栅结构对沟道电阻和n-漂移区的改善作用对总通态压降的降低都会有贡献，但以后者为主.进一步的仿真计算表明:随着耐压的不断增高，由于n-漂移区厚度及其分压比例持续增大，沟道区占总通态压降的比例将迅速降低（1 200 V时就仅占2％），沟槽对总压降改善的贡献将几乎全部体现在对n-区电导调制的改善上.

理论上说，槽栅IGBT在表面图形上和纵向结构上都仍然具有变化、调整和改善的余地.例如，在表面图形上，栅槽的形状，可采取条形（线形），也可采取矩形（含方形）、六角形、圆形、三角形、阶梯形、鱼骨形等.不同的元胞设计，在器件性能上会引起一定程度的差异，但只要消除了平面栅结构中p阱的侧面收集作用，并显著降低了p-n-p分区的面积的比例，就都会获得与本文分析相似的，比平面栅型器件明显优越的结果.至于具体采取哪种设计，除了考虑折中特性之外，还应综合考虑短路特性、栅槽拐角形状对击穿特性的敏感性、涉及坚固性和可靠性的其他问题，以及工艺实现难度等因素.目前，成熟化实用化的设计主要是稀疏排列的方形元胞和紧密排列的条形结构.本文的结构参数主要依据的就是一种稀疏排列的方形元胞结构［8］，是槽栅结构的一种典型代表.而密排的条形槽栅结构［6，9］，则需利用更精细的工艺，使其栅槽间距降低至亚微米级，可以进一步降低p-n-p分区比例.在纵向结构变化方面，值得一提的主要有p阱下方增加一薄层n型载流子存贮层的设计［10］，以及利用特殊工艺使栅槽底部“变胖”的所谓局部窄台面（partial narrow mesa，PNM）结构［11］.前者利用势垒对空穴的阻挡作用，后者则等效地减小了p阱面积，都着眼于进一步增强漂移区的电导调制作用，可使器件折中特性获得进一步改善.其思路与本文所揭示的常规槽栅结构相对于平面栅的改进思路是一脉相承的.

4 结论

1）Eoff-VCE（on）折中曲线是考察IGBT性能时的重要参考指标之一.为实现最佳折中，就需要用最低的背面注入效率，积累最少的过剩电荷，实现最充分的电导调制.本文所讨论的槽栅IGBT之所以能够获得更优性能，就在于槽栅结构更有助于这一原则的实现.

2）相对于平面栅IGBT，槽栅结构的出现消除了平面栅结构中p阱的侧面收集作用，并显著降低了p-n-p分区的面积比例，从而大大改善了n-漂移区的电导调制作用，优化了IGBT的性能.

3）本文的计算中，尽管槽栅结构的额定电流密度相对于平面栅结构有所增加，但由于槽栅结构性能提升的程度足以克服和胜过额定电流密度增加所形成的影响，故最终的性能仍优于平面栅.利用槽栅结构的这一优势，通过减小芯片面积（即增加额定电流密度），可以降低生产成本，提高单个晶圆芯粒的产出率.

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（责任编辑 吕小红）

Mechanism Analysis of the 600 V Trench IGBT With Improved Performance

WU Yu1，ZHOU Xuan1，JIN Rui2，HU Dongqing1，JIA Yunpeng1，TAN Jian1，ZHAO Bao1，LI Zhe1
（1.College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.New Electrical Material＆amp;Microelectronics Institute，State Grid Smart Electrical Engineering，Beijing 100192，China）

The influence of the trench structure of the power IGBT is mainly n-drift region conductivity modulation rather than the improvement of the channel resistance.To explain this question，the paper simulation tool Sentaurus TCAD，due to two structures of 600 V Trench-IGBT and Planar-IGBT were used to simulate the breakdown，conducting and switching characteristics，especially in the conduction state. Result shows that the proportion of the channel region is very low and the number of excess carriers in ndrift region is far higher than that of the planar one，so the conductivity modulation is better.That is trench structure is the main factor of the improvement of the n-drift region.At the same time，the Eoff-VCE（on）trade-off curves of the two different structures were compared，and it is found that the Trench-IGBT has lower on-state voltage drop and lower switch loss.

insulate gate bipolar transistor（IGBT）；trench；planar；on-state voltage drop；low switch loss

TN 323

A

0254-0037（2016）09-1313-05

10.11936/bjutxb2015120063

2015-12-25

国家自然科学基金资助项目（61176071）；国家电网公司科技项目（5455DW150012）

吴 郁（1970—），男，副研究员，主要从事功率半导体器件与功率集成电路方面的研究，E-mail:wuyu@bjut.edu.cn