浅析平面型与沟槽型IGBT结构

在现今IGBT表面结构中，平面型和沟槽型可谓是各占半壁江山。很多读者第一次接触到这两个名词的时候，可能会顾名思义地认为，平面型IGBT的电流就是水平流动的，而沟槽栅IGBT的电流就是在垂直方向上流动的。其实这是一个误解，不论平面型还是沟槽型的IGBT，电流都是在垂直方向上流动的。甚至于推而广之，不论IGBT，MOSFET，还是晶闸管，功率二极管，所有我们所熟悉的电力电子器件，为了满足耐压的要求，都会让电流竖直流动。对IGBT来说，空穴电流是从背面的集电极collector，流向正面的发射极emitter；电子电流从emitter出发，经过表面反型沟道，流向背面的collector，如图1所示。

图1 IGBT中的电流方向

我们都知道，沟槽型IGBT相比于平面型IGBT，能在不增加关断损耗的前提下，大幅度地降低导通压降。那么，沟槽栅是如何做到的呢？它有三个“绝招”： 消除了JFET效应，沟道密度增加及近表面载流子浓度增加。

消除JFET效应

沟槽栅结构与平面栅极结构的主要区别在于，当IGBT开通时，P型发射区的反型沟道是垂直的而不是水平的。

图2 平面型及沟槽型IGBT中反型沟道示意图

在平面栅IGBT中，正向导通时，P阱与n-漂移区形成的PN结处于轻微的反向偏置状态，因而会形成有一定宽度的空间电荷区，它挤占了一定的空间，因此电流只能从一个相对较窄的空间流过，增大了电流通路上的阻抗

图3 平面型IGBT中的JFET效应

因此，在平面栅IGBT中，在电子流通方向上，包含沟道电阻Rkanal，JFET电阻RJFET，与漂移区电阻Rn-。而沟槽型IGBT，因为沟道垂直，消灭了JFET区域，因而整个电流通路上阻抗更低。

图4 平面及沟槽IGBT导通阻抗对比

近表面层载流子浓度增加

对于平面栅极的IGBT，载流子的浓度从集电极到发射极之间逐步降低。新一代IGBT的设计目标是保持集电极到发射极之间的载流子浓度均匀分布，最好是逐步增加，这样可以进一步降低导通损耗，而不会影响拖尾电流和关断损耗。下图是三种不同结构的IGBT漂移区中载流子浓度分布，我们可以看到，在靠近emitter的位置，沟槽型IGBT载流子浓度远高于平面型IGBT。因此，在沟槽型IGBT 中，适当的沟槽宽度与间距可以提高N-区近表面层的载流子浓度，从而减小漂移区电阻Rn-

图5 IGBT中载流子浓度分布

沟道密度增加

相比于平面栅极IGBT，沟槽IGBT的垂直结构省去了在硅表面上制作导电沟道的面积，更有利于设计紧凑的元胞。即在同等芯片面积上可以制作更多的IGBT元胞，从而增加导电沟道的宽度，降低沟道电阻。

在沟槽型IGBT迅猛崛起的今天，平面型IGBT依然有其一席之地。虽然长江后浪推前浪，但前浪并未被拍死在沙滩上，这是因为沟槽型IGBT依然有不少缺点有待克服

挖出表面光滑的槽壁技术难度大

一般沟槽栅IGBT的沟槽宽度仅有1~2um，而深度要达到4、5um甚至更深。在硅表面挖槽靠的是酸腐蚀的方法，精确控制沟槽的宽度和深度是一件很有难度的事情。同时，沟槽壁要尽可能的光滑与少缺陷，因为不光滑的表面会影响击穿电压，降低生产成品率。而且，沟槽底部的倒角也要做得非常圆润，否则电场会在这里集中，严重影响耐压。由此可见沟槽IGBT比平面IGBT工艺难度要高得多。

较宽的导电沟道会增加IGBT短路时的电流

前面我们说过了，沟槽型IGBT沟道密度高，它在降低沟道电阻的同时，相应的缺点就是会提高短路电流。最不利的情况就是，短路电流可能会很大，以至于非常短时间内就损坏IGBT。为了使得IGBT具有10µs的短路能力（给定的测试条件下），需要非常小心的设计沟道宽度及相邻的元胞，比如增大元胞的间距，使单个晶元上有效元胞的数量减少。另外一种方法是不要把所有的栅极接到公共栅极，而是把一些单元的栅极和发射极直接短路。后者称为插入合并单元工艺。通过上述工艺，能够降低沟道密度，从而降低短路电流，增强器件短路能力。

审核编辑：刘清