平面型和沟槽型IGBT结构简析

在目前的IGBT表面结构中，平面型和沟槽型可以说是势均力敌。很多读者初次接触这两个术语时，可能会误以为平面型IGBT的电流是水平流动的，而沟槽栅型IGBT的电流是垂直流动的。其实这是一种误解。无论是平面型还是沟槽型IGBT，电流都是垂直流动的。而且，对于我们熟悉的IGBT、MOSFET、晶闸管、功率二极管等所有电力电子器件，为了满足耐压要求，电流都是垂直流动的。对于IGBT来说，空穴电流从背面集电极流向正面发射极；电子电流从发射极流出，经过表面反型沟道，流向背面集电极，如图1所示。

图1. IGBT中的电流流动方向

我们都知道，相比平面IGBT，沟槽栅IGBT可以在不增加关断损耗的情况下，大幅降低通态压降。那么，沟槽栅是如何做到这一点的呢？它有三个“诀窍”：消除JFET效应、提高沟道密度、提高近表面载流子浓度。

消除 JFET 效应

沟槽栅结构与平面栅结构的主要区别在于IGBT导通时P型发射区中反型沟道的朝向，沟槽栅结构中反型沟道是垂直的，而不是水平的。

图2.平面和沟槽栅极IGBT中反型通道的示意图。

在平面栅极IGBT中，正向导通时，P阱和n漂移区之间形成的PN结处于轻微的反向偏置状态。这导致形成具有一定宽度的空间电荷区，该空间电荷区占据了一定的空间。结果，电流只能流过相对较窄的空间，从而增加了电流路径上的阻抗。

图 3. 平面栅极 IGBT 中的 JFET 效应。

因此，在平面栅极IGBT中，沿电子流动方向，存在沟道电阻Rchannel、JFET电阻RJFET和漂移区电阻Rn-。而沟槽栅极IGBT由于垂直沟槽结构消除了JFET区域，从而降低了电流路径上的总阻抗。

图4.平面和沟槽栅极IGBT的导通阻抗比较。

近表面载流子浓度增加。

对于平面栅IGBT，载流子浓度从集电极到发射极逐渐减小。新一代IGBT的设计目标是保持集电极和发射极之间载流子浓度的均匀分布，最好是逐渐增大，这样可以在不影响尾电流和关断损耗的情况下进一步降低导通损耗。下图给出了三种不同结构IGBT漂移区载流子浓度分布。可以看出，在靠近发射区的位置，沟槽栅IGBT的载流子浓度远高于平面栅IGBT。因此，在沟槽栅IGBT中，适当的沟槽宽度和间距可以提高N-区近表层载流子浓度，从而降低漂移区电阻Rn-。

图 5. IGBT 中的载流子浓度分布。

通道密度增加

与平面栅极IGBT相比，沟槽IGBT的垂直结构消除了在硅表面制作导电通道所需的面积，从而实现了更紧凑的单元设计。这意味着可以在相同的芯片面积内制造更多的IGBT单元，从而实现更宽的导电通道和更低的通道电阻。

尽管沟槽IGBT迅速崛起，平面栅极IGBT仍然占有一席之地。先行者并没有落后，因为沟槽IGBT仍面临诸多挑战。

开挖光滑沟槽壁的技术难度较大。典型的沟槽栅IGBT的沟槽宽度仅为1-2μm，深度必须达到4-5μm，甚至更深。沟槽的刻蚀工艺采用酸腐蚀技术在硅表面进行，精确控制沟槽的宽度和深度极其困难。此外，沟槽壁必须尽可能光滑无缺陷，因为不平整的表面会影响击穿电压并降低成品率。沟槽底部的拐角也必须非常光滑，否则电场会集中在该处，严重影响耐压性能。由此可见，沟槽IGBT技术比平面栅IGBT技术难度高得多。

更宽的导电沟道会增加IGBT短路时的电流。如前所述，沟槽型IGBT的高沟道密度降低了沟道电阻，但其相应的缺点之一是短路电流的增加。在最坏的情况下，短路电流可能非常大，以至于在很短的时间内损坏IGBT。为了使IGBT能够承受长达10微秒的短路（在规定的测试条件下），需要非常仔细地设计沟道宽度和相邻单元，例如，通过增加单元之间的距离来减少每个单晶的有效单元数量。另一种方法是不将所有栅极连接到公共栅极，而是将某些单元的栅极与其发射极短路。这种技术称为插入合并单元技术。通过这种方法可以降低沟道密度，从而降低短路电流并增强器件的短路能力。