劉 亭，關艷霞，劉 勇，王卉如，鄧 杰

（沈陽工業(yè)大學信息科學與工程學院，沈陽110870）

1 引 言

IGBT 經(jīng)歷了傳統(tǒng)結構到超級結IGBT 結構的演變。傳統(tǒng)IGBT 結構具有輸入阻抗高、電流處理能力強的優(yōu)點，但其在導通電阻與阻斷電壓之間存在矛盾，不利于高壓器件體積的縮小[1-4]。超級結IGBT利用交替P 型和N 型漂移區(qū)，形成了垂直方向的PN 結。當施加陽極偏壓時，柵電極與P、N 漂移區(qū)中垂直的PN 結同時形成耗盡層，在x 和y 方向產(chǎn)生了二維的電荷耦合。使y 方向電場從三角形分布變?yōu)榫匦畏植糩5]，提高了器件厚度的利用率，而且超級結IGBT 中允許對P、N 漂移區(qū)使用高摻雜濃度，高摻雜弄濃度會產(chǎn)生一個非常低的導通電阻，這就大大緩解了擊穿電壓與導通電阻之間的矛盾，有效減小了高壓器件的體積，同時也緩解了關斷功耗與擊穿電壓之間的矛盾。但正是因為超級結的存在，使IGBT 的制造工藝變得更加復雜，也使得影響超級結IGBT 擊穿電壓的因素變的更為復雜。在此對影響超級結IGBT 擊穿特性的橫向參數(shù)進行討論，通過Silvaco 軟件進行仿真，分析超級結IGBT 的P、N 漂移區(qū)濃度及寬度變化對擊穿電壓的影響。

2 器件的結構模型

超級結IGBT 的結構如圖1 所示，仿真結構如圖2 所示。濃度設計的參數(shù)如表1 所示。在此設計中，超級結 IGBT 的 P、N 漂移區(qū)長度為 35.5 μm，緩沖層長度為 5 μm，P 型襯底長度為 2 μm，N+區(qū)結深為 1μm，P+區(qū)結深為 2 μm，寬度為 5 μm。

圖1 超級結IGBT 結構示意圖

圖2 超級結IGBT 仿真圖

表1 超級結IGBT 濃度設計參數(shù)

3 阻斷機理分析

與具有相同設計參數(shù)的傳統(tǒng)IGBT 相比，超級結IGBT 可以承受更大的阻斷電壓。兩者電學特性比較情況如圖3 所示。在圖3(a)中可見，傳統(tǒng)IGBT的擊穿電壓為182.324 V；具有相同設計參數(shù)的超級結IGBT 的擊穿電壓則為616.061V，相比之下，比傳統(tǒng)結構IGBT 的擊穿電壓高了433.737 V 之多。

超級結IGBT 的J2結反偏時P、N 漂移區(qū)完全耗盡，此時會在P、N 漂移區(qū)形成一個橫向的電場，與表面MOS 結構還有J3結形成二維電荷耦合[6]。二維電荷耦合的存在改變了P、N 漂移區(qū)電場的縱向分布，使P、N 漂移區(qū)電場從傳統(tǒng)IGBT 的三角形分布變成矩形分布，如圖3(b)所示。圖中，電場線與坐標軸所圍的面積代表器件所能承受的擊穿電壓，可以觀察出矩形面積大于三角形的面積，因此具有相同設計參數(shù)的超級結IGBT 的耐壓要高于傳統(tǒng)結構的IGBT。超級結結構的存在使器件的擊穿電壓得到了提升，而超級結結構的濃度、寬度都會對超級結IGBT 的擊穿電壓產(chǎn)生很大的影響。

圖3 傳統(tǒng)結構與超級結結構IGBT 電學特性比較

4 仿真分析及優(yōu)化

4.1 摻雜濃度對擊穿電壓影響仿真

不同P、N 漂移區(qū)摻雜濃度下的擊穿電壓曲線如圖4 所示。由圖中可見，超級結IGBT 的擊穿電壓隨著P、N 漂移區(qū)摻雜濃度的增加而逐漸降低，濃度越高擊穿電壓隨濃度增加而下降的幅度就越大。

圖4 不同P、N 漂移區(qū)摻雜濃度的擊穿電壓

通過對電場分布的仿真可用來分析擊穿電壓隨摻雜濃度的變化情況。在仿真結果中，超級結IGBT 擊穿時電場分布如圖5 所示。其中圖5(a)表示P、N 漂移區(qū)摻雜濃度為 1.5×1015cm-3時的電場分布，此時器件內部最高電場出現(xiàn)在A 點附近；圖5(b)表示P、N 漂移區(qū)摻雜濃度為9×1015cm-3時的電場分布，此時器件內部最高電場出現(xiàn)在J2結附近。仿真結果表明：P、N 漂移區(qū)濃度的變化不僅對超級結IGBT 的最大電場強度產(chǎn)生影響，還對最大電場強度發(fā)生的位置有影響，此仿真結果與文獻[7]結論一致：器件的擊穿電壓受器件內最高電場強度的影響，在超級結IGBT 的結構中橫、縱向最高電場強度隨P、N 漂移區(qū)摻雜濃度的變化而變化。

圖5 超級結IGBT 擊穿時電場分布

P、N 漂移區(qū)摻雜濃度不同時電場峰值分布曲線如圖6 所示。隨著P、N 漂移區(qū)摻雜濃度的增加，P、N漂移區(qū)橫、縱向的電場強度均繼續(xù)增大，但縱向電場強度隨P、N 漂移區(qū)濃度增加的幅度要小于橫向電場增加的幅度。當P、N 漂移區(qū)摻雜濃度大于或等于B 點摻雜濃度時，超級結IGBT 首先在J2結發(fā)生擊穿；而當P、N 漂移區(qū)摻雜濃度小于B 點摻雜濃度時，超級結IGBT 首先在A 點附近發(fā)生擊穿。從器件的損壞機理來看，在J2結處擊穿要優(yōu)于在A 點處擊穿，因為J2結的擊穿面積大于A 點，雪崩擊穿時產(chǎn)生的電流分布更均勻，溫度分布更均勻，不會因局部電流集中導致局部溫度過高而燒壞器件。在滿足器件設計條件的基礎上應盡量使P、N 漂移區(qū)的摻雜濃度高于B 點處，使雪崩發(fā)生在器件內部J2結處，以延長器件使用壽命。但是，J2結空間電荷區(qū)的展寬會隨著P、N 漂移區(qū)濃度的增加而減小，當P、N 漂移區(qū)摻雜濃度過高時會出現(xiàn)P、N 漂移區(qū)未完全耗盡的情況，反而導致了超級結IGBT 擊穿電壓的下降。

圖6 不同P、N 漂移區(qū)摻雜濃度下的電場峰值分布

4.2 超級結橫向寬度對擊穿電壓影響仿真

通過仿真，P、N 漂移區(qū)寬度對擊穿電壓的影響如圖7 所示?？梢?，超級結IGBT 的擊穿電壓會隨著P、N 漂移區(qū)寬度增加而略有增加；當P、N 漂移區(qū)寬度為3.5 μm 時擊穿電壓達到最大值622.506 V；當P、N 漂移區(qū)寬度繼續(xù)增大，超級結IGBT 的擊穿電壓急劇下降。

圖7 P、N 漂移區(qū)寬度對擊穿電壓的影響

超級結IGBT 中橫、縱向電場隨P、N 漂移區(qū)寬度的變化導致超級結IGBT 內部電勢由均勻分布變?yōu)椴痪鶆蚍植?，且隨著P、N 漂移區(qū)寬度增加，陽極側的電勢逐漸減小。超級結IGBT 擊穿時電勢隨P、N 漂移區(qū)寬度的變化如圖8 所示。超級結IGBT 內橫向最大電場強度隨P、N 漂移區(qū)寬度的增大而增大。不同P、N 漂移區(qū)寬度下對應的橫向電場分布如圖9 所示。由于超級結的電場是典型的二維電場[8]，橫、縱向電場的變化都會影響超級結內各個位置的電場分布。

圖8 擊穿時電勢隨P、N 漂移區(qū)寬度變化情況

圖9 不同P、N 漂移區(qū)寬度下橫向電場分布

不同漂移區(qū)寬度下超級結IGBT 內部電場分布如圖10 所示。當P、N 漂移區(qū)寬度較小時，漂移區(qū)處于耗盡狀態(tài)，電場分布相對均勻，此時器件能承受較高的電壓。

圖10 不同漂移區(qū)寬度下電場分布

隨著 P、N 漂移區(qū)寬度的逐漸增大，在 J2、J3結處電場強度增大，電場分布不均，器件所能承受的耐壓開始降低。當P、N 漂移區(qū)寬度繼續(xù)增大時，超級結結構在擊穿時還未完全耗盡，將導致器件耐壓性能急劇下降。

4.3 橫向參數(shù)優(yōu)化

超級結橫向參數(shù)帶來的影響既是獨立的，也是相互聯(lián)系的。P、N 漂移區(qū)濃度對擊穿電壓的影響也與P、N 漂移區(qū)寬度有關，不同的寬度要匹配不同的濃度才能使器件既滿足設計要求又具有良好的特性。在不同耐壓下對超級結IGBT 漂移區(qū)濃度、寬度所進行的橫向參數(shù)優(yōu)化如圖11 所示。超級結IGBT在相同電壓下，P、N 漂移區(qū)的寬度越窄，對應的優(yōu)化摻雜濃度就越高。在P、N 漂移區(qū)寬度相同時，超級結IGBT 的擊穿電壓越高，優(yōu)化摻雜濃度就越低。P、N 漂移區(qū)摻雜濃度相同時，超級結IGBT 的擊穿電壓就越高，優(yōu)化寬度越窄。

圖11 漂移區(qū)寬度及摻雜濃度優(yōu)化圖

綜合考慮超級結IGBT 橫向參數(shù)對擊穿電壓的影響，在超級結IGBT 結構設計時，P、N 漂移區(qū)的摻雜濃度和寬度不必完全相同，只要實現(xiàn)超級結二維電荷耦合的電荷平衡，P、N 漂移區(qū)的摻雜濃度為最佳摻雜濃度即可，這也為器件的設計提供了更大的選擇余地。

5 結 束 語

針對超級結IGBT 的橫向電場強度與P、N 漂移區(qū)濃度變化的關系，以及擊穿電壓與P、N 漂移區(qū)寬度變化的關系，展開了一系列仿真并對仿真結果進行分析，進而做出設計上的優(yōu)化。對器件的失效機理也進行了深入探討。通過仿真研究，能夠更加深入了解漂移區(qū)參數(shù)對超級結IGBT 擊穿電壓的影響，通過合理改變相應的參數(shù)，能夠得到一個性能更好的、滿足設計要求的器件結構。