淺析平面型與溝槽型IGBT結構

在現今IGBT表面結構中，平面型和溝槽型可謂是各占半壁江山。很多讀者第一次接觸到這兩個名詞的時候，可能會顧名思義地認為，平面型IGBT的電流就是水平流動的，而溝槽柵IGBT的電流就是在垂直方向上流動的。其實這是一個誤解，不論平面型還是溝槽型的IGBT，電流都是在垂直方向上流動的。甚至于推而廣之，不論IGBT，MOSFET，還是晶閘管，功率二極管，所有我們所熟悉的電力電子器件，為了滿足耐壓的要求，都會讓電流豎直流動。對IGBT來說，空穴電流是從背面的集電極collector，流向正面的發射極emitter；電子電流從emitter出發，經過表面反型溝道，流向背面的collector，如圖1所示。

圖1 IGBT中的電流方向

我們都知道，溝槽型IGBT相比于平面型IGBT，能在不增加關斷損耗的前提下，大幅度地降低導通壓降。那么，溝槽柵是如何做到的呢？它有三個“絕招”： 消除了JFET效應，溝道密度增加及近表面載流子濃度增加。

消除JFET效應

溝槽柵結構與平面柵極結構的主要區別在于，當IGBT開通時，P型發射區的反型溝道是垂直的而不是水平的。

圖2 平面型及溝槽型IGBT中反型溝道示意圖

在平面柵IGBT中，正向導通時，P阱與n-漂移區形成的PN結處于輕微的反向偏置狀態，因而會形成有一定寬度的空間電荷區，它擠占了一定的空間，因此電流只能從一個相對較窄的空間流過，增大了電流通路上的阻抗

圖3 平面型IGBT中的JFET效應

因此，在平面柵IGBT中，在電子流通方向上，包含溝道電阻Rkanal，JFET電阻RJFET，與漂移區電阻Rn-。而溝槽型IGBT，因為溝道垂直，消滅了JFET區域，因而整個電流通路上阻抗更低。

圖4 平面及溝槽IGBT導通阻抗對比

近表面層載流子濃度增加

對于平面柵極的IGBT，載流子的濃度從集電極到發射極之間逐步降低。新一代IGBT的設計目標是保持集電極到發射極之間的載流子濃度均勻分布，最好是逐步增加，這樣可以進一步降低導通損耗，而不會影響拖尾電流和關斷損耗。下圖是三種不同結構的IGBT漂移區中載流子濃度分布，我們可以看到，在靠近emitter的位置，溝槽型IGBT載流子濃度遠高于平面型IGBT。因此，在溝槽型IGBT 中，適當的溝槽寬度與間距可以提高N-區近表面層的載流子濃度，從而減小漂移區電阻Rn-

圖5 IGBT中載流子濃度分布

溝道密度增加

相比于平面柵極IGBT，溝槽IGBT的垂直結構省去了在硅表面上制作導電溝道的面積，更有利于設計緊湊的元胞。即在同等芯片面積上可以制作更多的IGBT元胞，從而增加導電溝道的寬度，降低溝道電阻。

在溝槽型IGBT迅猛崛起的今天，平面型IGBT依然有其一席之地。雖然長江后浪推前浪，但前浪并未被拍死在沙灘上，這是因為溝槽型IGBT依然有不少缺點有待克服

挖出表面光滑的槽壁技術難度大

一般溝槽柵IGBT的溝槽寬度僅有1~2um，而深度要達到4、5um甚至更深。在硅表面挖槽靠的是酸腐蝕的方法，精確控制溝槽的寬度和深度是一件很有難度的事情。同時，溝槽壁要盡可能的光滑與少缺陷，因為不光滑的表面會影響擊穿電壓，降低生產成品率。而且，溝槽底部的倒角也要做得非常圓潤，否則電場會在這里集中，嚴重影響耐壓。由此可見溝槽IGBT比平面IGBT工藝難度要高得多。

較寬的導電溝道會增加IGBT短路時的電流

前面我們說過了，溝槽型IGBT溝道密度高，它在降低溝道電阻的同時，相應的缺點就是會提高短路電流。最不利的情況就是，短路電流可能會很大，以至于非常短時間內就損壞IGBT。為了使得IGBT具有10μs的短路能力（給定的測試條件下），需要非常小心的設計溝道寬度及相鄰的元胞，比如增大元胞的間距，使單個晶元上有效元胞的數量減少。另外一種方法是不要把所有的柵極接到公共柵極，而是把一些單元的柵極和發射極直接短路。后者稱為插入合并單元工藝。通過上述工藝，能夠降低溝道密度，從而降低短路電流，增強器件短路能力。

審核編輯：劉清