浮思特 | 第四代场阻止型IGBT的抗锁定能力和超越硅材极限的性能

由于其低导通损耗和开关能量损耗，IGBT广泛应用于高功率应用领域，如电源、马达驱动逆变器和电动汽车等。对更先进功率器件的需求促使了新型硅基开发及宽禁带材料开发的努力，以实现超越硅的理想特性。

 

从MOS栅极的高电子注入效率是必需的

 

为了将IGBT硅材料推向极限，需要从MOS栅极实现极高的电子注入效率，同时孔载流子注入应仅限于对导电调制的贡献水平。对于Fairchild的第四代场停IGBT，通过非常细小的单元间距设计增强了电子注入，并通过新型缓冲结构限制了孔载流子注入，取得了显著更好的权衡性能以及强大的抗锁定能力。为了实现窄台阶或高密度阴极设计的沟道IGBT，采用了自对准接触工艺。

图1

 

这一工艺在优化主动单元设计的关键尺寸以增强导通状态性能方面非常有效，同时也最大限度地提高了抗锁定电流能力。此外，在IGBT的阳极侧采用了多层缓冲层，以有效控制导通状态下的少数载流子注入，并在关断状态下完全屏蔽电场。

 

提议的IGBT的垂直结构

 

提议的IGBT的垂直结构在图1中展示了阴极和阳极侧。图1(a)和1(c)显示，通过采用自对准接触工艺，成功实现了亚微米窄台阶宽度的高密度单元设计，没有任何光对准偏移。该图所示的高密度主动图案有利于从阴极侧极大增强电子注入，因此导致更高的电子电流密度。

 

图1(b)中所示的新型多层缓冲结构对于IGBT运行期间理想的载流子分布非常有帮助。通常，单层缓冲层的掺杂浓度为1~5e15cm–3，能够高效控制孔注入和电场屏蔽。在本实验中，为了获得更好的权衡性能，额外嵌入了掺杂浓度更高的薄缓冲层。

 

换句话说，双缓冲层中的高掺杂浓度对于电场屏蔽和由第一层FS(L1)控制的孔载流子注入更加有效。第二缓冲层(L2)的低掺杂浓度则更适合于形成轻掺杂的p型集电极，以在不杀死载流子寿命的情况下实现高频开关性能。此外，通过改变双缓冲层的掺杂浓度和厚度，可以有效改善器件的开关波形，从而实现合适的载流子分布控制，在开关的开启/关闭操作中发挥作用。

图2

 

如图2所示，测得的静态击穿电压约为720V，并且在硬波形下测试。这表明双缓冲层在关断状态下能够充分屏蔽电场。在本研究中，开发并评估了额定650V-50A的第四代FS IGBT。图3展示了在470A/cm2电流密度下，针对导通状态电压降和关断硬开关的权衡性能与第三代FS IGBT的比较。提议的第四代FS IGBT显示出比以往IGBT技术更好的权衡性能(在相同的导通状态电压下约减少30%的关断能量损耗Eoff)。

图3

 

抗锁定能力

 

抗锁定能力在静态和动态条件下进行评估，如图4和图5所示。图4显示，最大静态饱和电流约为4000A/cm2，没有出现锁定现象。

 

动态抗锁定特性

 

特别地，在图5中展示的动态抗锁定特性中，提议的FS IGBT表现出非常强的抗压能力，在严苛的硬开关条件下(T=150°C，Rg=0Ω，Vge=±15V诱导集电极和发射极之间产生非常高的电压斜率(dv/dt))也能安全地工作在3000A/cm2的电流密度下而不发生故障。这是因为自对准工艺消除了接触光对准误差可能导致的局部弱点，使注入的少数载流子能够均匀流动，而不会集中于特定区域。

图4

 

总结

基于优化注入增强载流子分布的第四代FS IGBT技术成功开发，致力于接近IGBT硅材料的极限。这一新一代FS IGBT采用高密度单元结构和精心设计的双缓冲层，在静态和动态状态下表现出优越的器件性能，同时具备强大的抗锁定能力。

图5

 

经过确认，自对准工艺是实现亚微米沟道和台阶主动设计的非常有效的方法，同时也能有效实现强大的抗锁定能力。在下一代IGBT开发中，将进一步缩小台阶宽度，并继续使用自对准工艺，以进一步最大化注入增强，因此少数载流子注入控制的缓冲结构也应进行优化。

 

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