來源：星際浮塵

注入增強型IGBT

1、結構特點與典型工藝

1.1結構提出與發展

為了協調IGBT通態特性與關斷特性及短路特性之間的矛盾，提高器件的綜合性能和可靠性，在IGBT中引入了一種電子注入增強效應（Injection Enhancement Effect，IE），既可加強IGBT導通時的電導調制效應，又可限制陽極空穴的注入，于是形成了注入增強型IGBT（Injection Enhanced Insulated Gate Bipolar Transistor，IE-IGBT）。

盡管出現了很多結構，所采取的措施也不同，但目的都是提高通態時IGBT內部發射極側的載流子濃度，即引入IE效應，以增強電導調制作用，從而解決IGBT通態特性和開關特性之間的矛盾，降低器件功耗。

1.2結構類型與特點

按柵極結構分：平面寬柵、溝槽寬柵、平面-溝槽柵（Trench-Planar Gate，TP）結構

按是否有虛擬元胞分：普通元胞和虛擬元胞結構

按輔助層的位置分：溝槽柵結構（如CST-BT）和平面柵結構（如EP-IGBT和HiGT）

圖1 IEGT結構

圖2 含虛擬元胞的窄槽柵IEGT結構

（1）寬柵IEGT結構

集電極注入的空穴在寬柵形成積累，引起發射極向漂移區注入的電子增強。

由于這兩種結構的柵極尺寸較大，使得元胞密度和溝道密度減小，從而會影響器件的電流容量。

（2）虛擬元胞窄槽柵IEGT結構

部分元胞的p基區沒有歐姆接觸，成為p浮置區。導通期間，集電區注入的空穴將無法經過p浮置區到達發射極，于是會在p浮置區下方的n-漂移區內形成積累。

部分元胞的多晶硅柵極與發射極短路，導通期間，柵極兩側的p基區則不會形成導電溝道，于是從集電區注入的空穴無法與電子復合，也會在柵極下方的n-漂移區內形成堆積。

（3）n輔助層平面柵結構

HiGT結構通過離子注入工藝在n-漂移區和p基區之間形成一個n空穴勢壘（HB）層，其摻雜濃度略高于n-漂移區的摻雜濃度，使得p基區與n輔助層間的內電位差增加了約0.2V，相當于增加了一個空穴勢壘。導通期間大量空穴會積累在空穴勢壘層下方，迫使n+發射區注入增強。該結構不需要像P-IEGT那樣增加柵極寬度，就可獲得較強的IE效應，但對n HB的摻雜濃度要求極為嚴格，設計不當會嚴重影響器件的阻斷能力。

EP-IGBT結構是在普通平面柵P-IGBT的p基區側面和底部分別增加了一個n增強層。與HiGT結構相比，EP-IGBT除了具有IE效應外，阻斷電壓較高；同時p基區側面的n增強層會縮短溝道長度，有利于提高器件跨導和集電極電流，降低MOS溝道的壓降。通過優化n增強層的參數，可增大其反偏安全工作區（RBSOA）。

圖3 平面柵結構

（4）n輔助層溝槽柵結構

CSTBT結構是在p基區與n-漂移區之間增加一個n載流子存儲（CS）層， 類似于HiGT結構中的n HB層。導通期間在n CS層下方會形成空穴積累層。如將n CS層和虛擬元胞相結合，可形成CSTBT結構，導通期間的IE效應會更強，從而獲得更低的導通損耗和開關損耗。

圖4 溝槽柵結構

圖5a為東芝公司4.5kV P-IEGT芯片，尺寸為15mm×15mm，柵極壓焊點均位于芯片角處。圖5b為日立公司3.3kV/50A平面柵HiGT芯片，柵極壓焊點位于芯片中央。圖5c為三菱公司1.2kV/150A溝槽柵CSTBT芯片，柵極壓焊點位于芯片的側邊和角上。

圖5 各種不同IE-IGBT結構的芯片圖形

1.3典型工藝

IE-IGBT關鍵工藝在于深而窄的溝槽刻蝕、n輔助層的注入技術及少子壽命控制技術。

（1）溝槽刻蝕工藝

在溝槽柵IEGT結構中，溝槽越深（約12μm），IE效應越強。為了消除柵氧化層不均勻引起的閾值電壓變化，并提高MOS溝道電子的遷移率，需采用精細的RIE刻蝕工藝先形成溝槽，再生長犧牲氧化層來獲得光滑的槽壁。對于寬槽柵（槽寬為8～12μm）結構，通常在氮氧化硅（SiON）掩蔽下進行溝槽刻蝕之后，再采用局部氧化（LOCOS）工藝來圓化溝槽底部拐角，并消除頂部的“鳥嘴”效應。

（2）n輔助層工藝

若采用常規摻雜工藝，由于存在雜質的補償作用，會使溝道的凈摻雜濃度降低，導致閾值電壓下降，并影響溝道電子的遷移率，同時也很難形成摻雜濃度和厚度均合適的n輔助層。采用倒摻雜（Retro Grade Doping）工藝，可有效避免CS層對溝道摻雜濃度的補償，有利于獲得更高的溝道電子遷移率，并提高器件的均勻性，增大短路安全工作區（SCSOA）。

圖6 載流子存儲層的摻雜濃度分布

（3）載流子壽命控制技術

壽命控制技術改善IEGT開關特性，也會影響器件IE效應的強弱。與傳統的均勻壽命控制相比，采用局部壽命控制，如質子輻照和H+、He2+等輕離子輻照，可將低壽命區控制在靠近n緩沖層的n-漂移區中，從而使器件的開關特性和通態特性同時得到改善。

2、工作原理與注入增強效應

2.1工作原理

無論是采用寬柵結構，還是虛擬元胞，或者增加n輔助層，都增強了發射極側的載流子注入，使得器件內部的電導調制區域由局部的n-漂移區擴展到整個n-漂移區甚至n型輔助層中。所以，IE-IGBT具有比普通IGBT更好的通態特性。在采用n輔助層和虛擬元胞的復合結構中，IE效應會更加明顯，電導調制區域更大，器件的特性會進一步改善。

2.2等效電路

IGBT可等效為MOSFET和pnp晶體管的級聯，在導通狀態下，IGBT可簡化地等效為MOSFET和pin二極管的串聯。

圖7 IEGT導通狀態下的等效結構及其載流子濃度分布與等效電路

圖8 EP-IEGT結構中的pin二極管與pnp晶體管效應

如圖8a所示，當n增強層位于元胞兩側時，溝道縮短，n+發射區的電子通過溝道后向元胞下方擴展，在柵極正下方的n-漂移區形成空穴積累，使pin二極管的效應加強。圖8b當n增強層集中在元胞底部時，此時溝道長度不變，n+發射區的電子通過溝道后向柵極下方擴展，同時空穴會在元胞正下方的n增強層處形成積累，使pnp晶體管效應加強。

為了獲得優良的導通特性，應加強P-IEGT內部的pin二極管效應。 但如果發射區附近的pin二極管效應增強，飽和電流特性變差。所以，為了獲得優良的FBSOA，pin二極管效應需遠離溝道和發射區。如圖9所示的溝槽-平面柵TP-IEGT結構，在發射極元胞之間插入了溝槽（類似于TPMOS），于是沿溝槽側壁會形成電子積累層，同時因溝槽和元胞之間的n-漂移區很窄，空穴只能在元胞下方的n-漂移區形成積累，產生電子注入增強效應，使pin二極管效應增強，并且pin二極管效應僅壓縮在遠離發射區的n-漂移區內，故TP-IEGT具有比P-IEGT更好的導通特性。

圖9 溝槽平面柵IEGT

2.3注入增強效應及其表征

但IE效應起因于n-漂移區存在空穴積累，從集電區注入到n-漂移區的空穴數目并沒有增加。可見，IE效應能方便地增加IE-IGBT發射極側的電子積累，同時有效地控制集電極側的空穴注入，因此很好地解決了IGBT耐壓提高時關斷特性與通態特性之間的矛盾。

可用發射極電子注入效率γn來表征IE效應的強弱。γn越大，IE效應越強，器件的通態特性越好。γn值不僅與MOSFET表面遷移率有關，還與柵極結構、集電極注入效率及發射極面積等因素有關。

圖10 T-IGBT和T-IEGT的注入效率比較

溝槽柵IEGT和IGBT的電子注入效率比較如圖10。兩者的電子注入效率都隨集電極電流密度的增加而減小，隨溝道電子遷移率μns的增加而增加。T-IEGT的電子注入效率明顯高于T-IGBT，并且隨溝道電子遷移率的變化更加明顯，這說明要提高T-IEGT的電子注入效率γn，必須提高MOS溝道的電子遷移率。

圖11給出了P-IEGT和T-IEGT的電子注入效率與結構參數的變化關系。T-IEGT電子注入效率（γn≈0.75～0.83）明顯高于P-IEGT（γn≈0.73～0.77），并且γn除了與MOS溝道電子的遷移率有關外，還與元胞寬度和溝槽柵尺寸有關。P-IEGT的γn隨元胞半寬度W的增大呈線性增加，T-IEGT的γn隨深度T和元胞半寬度W乘積的平方根增大呈非線性增加。

圖11 P-IEGT和T-IEGT的電子注入效率γn與結構參數的關系曲線

3、靜態與動態特性

3.1通態特性

P-IEGT的飽和電壓主要由漂移區的壓降Un-和集電結的壓降Up+n決定。

式中JC為集電極電流密度；Wn-為n-漂移區厚度；ρc和ρe分別為集電極和發射極側載流子濃度。

圖12 T-IEGT的UCEsat隨ρe和ρc變化曲線

圖13 P-IEGT與T-IEGT特性比較

當集電極側載流子濃度ρc一定時，UCEsat隨ρe的增加而下降；當ρe一定時，ρc越高，UCEsat越低。適當提高IEGT集電極側與發射極側的載流子濃度，有助于實現理想的低飽和電壓，但集電極側的載流子濃度增加會導致關斷特性變差。

3.2特性比較

圖13所示為采用局部少子壽命控制的P-IEGT與T-IEGT關斷能耗密度與飽和電壓UCEsat的關系。P-IEGT的UCEsat明顯比T-IEGT的要高，并且溝槽越深，對改善T-IEGT關斷特性與飽和電壓越有利。

圖14 幾種不同結構的IE-IGBT特性的比較

采用LPT型耐壓結構可進一步改善平面柵IE-IGBT的綜合特性。圖14a對4.5kV器件而言，當關斷能量Eoff一定時，LPT-HiGT的飽和電壓更低，而普通IGBT特性最差。圖14b對6.5kV器件而言，當Eoff一定時，EP-IGBT的UCEsat比普通IGBT低30%。如果將溝槽柵n輔助層及LPT型結構相結合，可以獲得更好的綜合特性。如LPT-CSTBT結構的飽和電壓比傳統P-IGBT結構的下降約40%，并且耐壓越高，CSTBT與傳統P-IGBT結構的特性差異越大。