由于其低導(dǎo)通損耗和開關(guān)能量損耗，IGBT廣泛應(yīng)用于高功率應(yīng)用領(lǐng)域，如電源、馬達(dá)驅(qū)動逆變器和電動汽車等。對更先進(jìn)功率器件的需求促使了新型硅基開發(fā)及寬禁帶材料開發(fā)的努力，以實(shí)現(xiàn)超越硅的理想特性。

從MOS柵極的高電子注入效率是必需的

為了將IGBT硅材料推向極限，需要從MOS柵極實(shí)現(xiàn)極高的電子注入效率，同時孔載流子注入應(yīng)僅限于對導(dǎo)電調(diào)制的貢獻(xiàn)水平。對于Fairchild的第四代場停IGBT，通過非常細(xì)小的單元間距設(shè)計(jì)增強(qiáng)了電子注入，并通過新型緩沖結(jié)構(gòu)限制了孔載流子注入，取得了顯著更好的權(quán)衡性能以及強(qiáng)大的抗鎖定能力。為了實(shí)現(xiàn)窄臺階或高密度陰極設(shè)計(jì)的溝道IGBT，采用了自對準(zhǔn)接觸工藝。

這一工藝在優(yōu)化主動單元設(shè)計(jì)的關(guān)鍵尺寸以增強(qiáng)導(dǎo)通狀態(tài)性能方面非常有效，同時也最大限度地提高了抗鎖定電流能力。此外，在IGBT的陽極側(cè)采用了多層緩沖層，以有效控制導(dǎo)通狀態(tài)下的少數(shù)載流子注入，并在關(guān)斷狀態(tài)下完全屏蔽電場。

提議的IGBT的垂直結(jié)構(gòu)

提議的IGBT的垂直結(jié)構(gòu)在圖1中展示了陰極和陽極側(cè)。圖1(a)和1(c)顯示，通過采用自對準(zhǔn)接觸工藝，成功實(shí)現(xiàn)了亞微米窄臺階寬度的高密度單元設(shè)計(jì)，沒有任何光對準(zhǔn)偏移。該圖所示的高密度主動圖案有利于從陰極側(cè)極大增強(qiáng)電子注入，因此導(dǎo)致更高的電子電流密度。

圖1(b)中所示的新型多層緩沖結(jié)構(gòu)對于IGBT運(yùn)行期間理想的載流子分布非常有幫助。通常，單層緩沖層的摻雜濃度為1~5e15cm–3，能夠高效控制孔注入和電場屏蔽。在本實(shí)驗(yàn)中，為了獲得更好的權(quán)衡性能，額外嵌入了摻雜濃度更高的薄緩沖層。

換句話說，雙緩沖層中的高摻雜濃度對于電場屏蔽和由第一層FS(L1)控制的孔載流子注入更加有效。第二緩沖層(L2)的低摻雜濃度則更適合于形成輕摻雜的p型集電極，以在不殺死載流子壽命的情況下實(shí)現(xiàn)高頻開關(guān)性能。此外，通過改變雙緩沖層的摻雜濃度和厚度，可以有效改善器件的開關(guān)波形，從而實(shí)現(xiàn)合適的載流子分布控制，在開關(guān)的開啟/關(guān)閉操作中發(fā)揮作用。

如圖2所示，測得的靜態(tài)擊穿電壓約為720V，并且在硬波形下測試。這表明雙緩沖層在關(guān)斷狀態(tài)下能夠充分屏蔽電場。在本研究中，開發(fā)并評估了額定650V-50A的第四代FS IGBT。圖3展示了在470A/cm2電流密度下，針對導(dǎo)通狀態(tài)電壓降和關(guān)斷硬開關(guān)的權(quán)衡性能與第三代FS IGBT的比較。提議的第四代FS IGBT顯示出比以往IGBT技術(shù)更好的權(quán)衡性能(在相同的導(dǎo)通狀態(tài)電壓下約減少30%的關(guān)斷能量損耗Eoff)。

抗鎖定能力

抗鎖定能力在靜態(tài)和動態(tài)條件下進(jìn)行評估，如圖4和圖5所示。圖4顯示，最大靜態(tài)飽和電流約為4000A/cm2，沒有出現(xiàn)鎖定現(xiàn)象。

動態(tài)抗鎖定特性

特別地，在圖5中展示的動態(tài)抗鎖定特性中，提議的FS IGBT表現(xiàn)出非常強(qiáng)的抗壓能力，在嚴(yán)苛的硬開關(guān)條件下(T=150°C，Rg=0Ω，Vge=±15V誘導(dǎo)集電極和發(fā)射極之間產(chǎn)生非常高的電壓斜率(dv/dt))也能安全地工作在3000A/cm2的電流密度下而不發(fā)生故障。這是因?yàn)樽詫?zhǔn)工藝消除了接觸光對準(zhǔn)誤差可能導(dǎo)致的局部弱點(diǎn)，使注入的少數(shù)載流子能夠均勻流動，而不會集中于特定區(qū)域。

總結(jié)

基于優(yōu)化注入增強(qiáng)載流子分布的第四代FS IGBT技術(shù)成功開發(fā)，致力于接近IGBT硅材料的極限。這一新一代FS IGBT采用高密度單元結(jié)構(gòu)和精心設(shè)計(jì)的雙緩沖層，在靜態(tài)和動態(tài)狀態(tài)下表現(xiàn)出優(yōu)越的器件性能，同時具備強(qiáng)大的抗鎖定能力。

經(jīng)過確認(rèn)，自對準(zhǔn)工藝是實(shí)現(xiàn)亞微米溝道和臺階主動設(shè)計(jì)的非常有效的方法，同時也能有效實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的抗鎖定能力。在下一代IGBT開發(fā)中，將進(jìn)一步縮小臺階寬度，并繼續(xù)使用自對準(zhǔn)工藝，以進(jìn)一步最大化注入增強(qiáng)，因此少數(shù)載流子注入控制的緩沖結(jié)構(gòu)也應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化。

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