深入探讨超结IGBT技术优化方案

采用超结技术可改善功率MOSFET的击穿电压与导通电阻之间的矛盾关系。将超结引入IGBT中，可形成超结IGBT（SJIGBT）结构，不仅可以显著地改善IG-BT的正向耐压能力，也可以改善饱和电压与关断损耗之间的矛盾。

图5-56 BIGT的正向导通特性测试曲线

1.结构类型

根据栅极结构不同来分，SJIGBT可分为平面栅SJIGBT和沟槽栅SJIGBT结构；按耐压层不同来分，可分为SJIGBT和Semi-SJIGBT结构；按超结制作工艺来分，可分为传统的SJIGBT和复合SJIGBT结构。图5-58给出了两种SJIGBT的基本结构剖面。

图5-57 BIGT 开关特性测试曲线

图5-58 SJIGBT基本结构剖面

（1）SJIGBT结构 如图5-58所示，与SJMOS相似，SJIGBT的n^-漂移区也是全部由p柱和n柱组成的超结代替，不同之处在于，SJIGBT的背面为p⁺集电区。由于柱区高度与击穿电压成正比，所以柱区越高，SJIGBT的击穿电压也越高，但相应的工艺成本也会增大。

SJIGBT的工艺难度主要在于SJ的形成。利用沟槽刻蚀和采用小角度注入来形成扩展深槽的SJIGBT结构^[57]，p柱区为原始外延层，n柱区是在沟槽刻蚀后通过磷离子（P⁺）小角度注入来形成，不仅可以降低工艺难度，而且有利于实现电荷平衡。

（2）Semi-SJIGBT结构 如图5-59所示，平面栅Semi-SJIGBT和沟槽栅Semi-SJIGBT的基本剖面结构^[58]也与Semi-SJMOS相似，其中部分n^-漂移区由超结代替，底部仍保留一部分n^-漂移区作为底部辅助层。与SJIGBT结构相比，由于Semi-SJIGBT的柱区高度降低，所以工艺成本也随之降低。

在图5-59b所示的沟槽栅SJIGBT和图5-59b所示的Semi-SJIGBT结构中，p柱区通常位于沟槽栅下方，有助于通态时增强电导调制效应，关断时pn结的耗尽区扩展，使得载流子尽快去除。如果p柱区位于p基区下方，会在p柱区和p基区之间会形成一条空穴通路，不利于器件的导通和关断。

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图5-59 Semi-SJIGBT基本结构剖面

2.工作模式

SJIGBT的击穿特性与SJMOS的击穿特性相同。由于p柱区和n柱区电荷平衡，在很低的电压（约几伏）下，p柱与n柱区就能完全耗尽。所以，SJIGBT电场强度分布与SJMOS的完全相同，均为矩形分布；Semi-SJIGBT电场强度分布与Semi-SJMO的完全相同，均为梯形分布。

SJIGBT的导通与普通IGBT有很大不同。普通IGBT导通时，内部会发生电导调制效应，n^-漂移区存在大量非平衡载流子，具有较低的饱和电压，实现电流的双极输运。而SJIGBT导通时，同时存在单极与双极两种电流输运模式。由于SJIG-BT的耐压层为相互交替的n柱和p柱，且掺杂浓度远高于普通IGBT的n^-漂移区，在导通期间，靠近集电极一侧的耐压区会发生电导调制效应，非平衡载流子浓度较高，其电流以双极输运为主；靠近发射极一侧的耐压区不会发生电导调制效应，非平衡载流子几乎为零。电子和空穴分别在n柱和p柱区内各自流动，其电流以单极输运为主。

SJIGBT这两种电流输送模式与柱区掺杂浓度有关。如图5-60所示^[59]，当柱区掺杂浓度较低（1×10¹⁴cm^-3）时，电子电流和空穴电流几乎分布在两个柱区内，说明导通时两个柱区都会发生电导调制效应，这与普通IGBT相似，按双极模式输运。当柱区掺杂浓度较高（5×10¹⁵cm^-3）时，电子电流主要分布在栅极下方的n柱区内，空穴电流主要分布在元胞下方的p柱区内，此时电流均按单极方式输运。这说明柱区掺杂浓度升高对集电区的空穴注入有一定的抑制作用。

此外，n缓冲层参数对SJIGBT的电导调制效应也有明显影响。对SJIGBT而言，集电极侧的pnp晶体管由两部分组成：一是由p⁺集电区、n缓冲层及p柱区形成的窄基区pnp晶体管，且集电区较厚；二是由p⁺集电区、n缓冲层与n柱区及p基区形成的宽基区pnp晶体管。所以，当柱区及n缓冲层掺杂浓度不同时，集电极侧pnp晶体管的电流放大系数α_pnp也不同，由此导致其关断特性和通态特性有所不同。当缓冲层掺杂浓度为（1～4）×10¹⁶cm^-3时，导通时的载流子浓度分布相近，并且靠近发射极侧的电导调制效应较强；当缓冲层掺杂浓度为6×10¹⁶～1×10¹⁷cm^-3时，导通时载流子浓度分布差别逐渐增大，并且远离发射极侧的电导调制效应都减弱。所以，为了兼顾SJIGBT的阻断特性、导通特性及关断特性，在满足电荷平衡的条件下，应将缓冲层掺杂浓度应控制在5×10¹⁶cm^-3以下。

图5-60 SJIGBT导通时内部的电流分布

3.性能比较

图5-61比较了各种IGBT结构的关断能耗与饱和电压之间的关系。可知，综合性能逐渐优化（曲线趋于坐标原点）的器件结构依次是NPT型结构、FS型结构、FS+沟槽栅结构、载流子存储型沟槽栅双极晶体管（CSTBT）及SJ与FS型复合（SJFS）结构。采用SJFS结构可使IGBT的特性达到最佳，但同时其工艺难度也最大。

图5-61 各种IGBT结构的技术曲线比较

另外，为了消除5.3.3节中逆导IGBT的负阻现象，可将超结引入逆导IGBT中形成超结逆导IGBT（SJ RC-IGBT）^[60]或半超结逆导IGBT（Semi-SJ RC-IGBT）结构^[61]。