功率VDMOSFET与IGBT的最新结构与性能特点

摘 要：综合评述了VDMOSFET(Vertical DoublE Diffused MOSFET)与IGBT( Insulated GatEBipolar Transistor)的一般器件结构，分析比较了采用垂直沟槽栅极(Trench gate)新结构的功率VDMOSFET与IGBT的结构与性能特点。

新结构的VDMOSFET与IGBT能有效地减少原胞尺寸和增加沟道密度，具有大电流，高电压，开关频率高，高可靠性，低损耗的特点。在性能上明显优于目前广泛使用的VDMOSFET和IGBT结构。

关键词：功率器件；功率MOSFET；绝缘栅双极晶体管


引　言

功率MOS(Metal OxidESemiconductor)器件是高频与大电流电子电力装置的核心部件，主要指VDMOS(Vertical DoublEDiffused MOS)与IGBT( Insulated GatEBipolar Transistor)。近年来，由于器件结构、生产工艺不断改进，新结构的VDMOS，IGBT的性能显著提高。其中，绝缘栅双极晶体管( IGBT)是一种新型的电力电子器件，由于它具有输入阻抗高、通态压降低、驱动电路简单、安全工作区宽、电流处理能力强等优点，深受电路设计者的欢迎，成为电力电子器件中很有前途的竞争者。IGBT在电机控制、中频开关电源和逆变器、机器人、空调器以及要求快速低损耗的许多领域中有了越来越广泛的应用。

VDMOS器件在功率处理能力上已经得到了惊人的提高，但在高压领域中由于导通电阻Ron的原因，使得MOS器件的导通损耗随耐压的提高而急速上升，这意味着在同样的功率处理功能下，MOS器件需要比双器件占有更大的芯片面积。这不仅带来了工艺难度，对产品合格率、成本以及应用等都很不利。80年代初，IGBT的发明，在高压领域中克服了VDMOSFET导通电阻大的缺点，并兼容了MOS和双极型器件的优点，在电力电子器件领域向人们展示了MOS控制型电力开关器件崭新的一页。80年代末，商品化的IGBT单片水平已达到20～50A/80～1000V；到90年代初期，由于设计结构的改进，参数的调整以及工艺水平的提高，IGBT模块已经达到80～300A/500～1200V的水平。

目前IGBT器件已从第1代发展到了第4代，已达到1000～1200A/2.5～4.5 kV的水平。在IGBT的发展过程中，很重要的研究课题是设法改善饱和压降和开关特性的折衷关系。通过采取一系列措施，第2代IGBT的饱和压降V_CE(sat)、关断时间t_off都比第1代降低30%以上。第4代，V_CE( sat)和t_off都降低了一半。随着研制与开关的进步以及微细加工等技术的提高，目前功率器件系列已采用1μm以下的设计规则。

功率VDMOSFET与IGBT的结构特征

VDMOSFET与IGBT一个元胞的典型结构如图1所示。由图1可见，IGBT的结构与VDMOS的结构很相似，区别只是IGBT用P⁺衬底替代了VDMOS的n⁺衬底，从而引入了pn结注入机制。在正向工作条件下，注入少子时，高阻厚外延的n^-区产生电导调制效应，降低了外延层的电阻率，从而减少了器件的导通电阻。

导通电阻R_on是影响功率VDMOSFET与IGBT器件最大输出功率的重要参数，它主要由元胞结构的布局、几何形状及尺寸、元胞密度、芯片面积等因素决定。

实际上，如图2所示，由于功率VDMOSFET和IGBT是几千～几万个单元MOSFET并联而成。通常，每个元胞电流容量为0.6～0.9 mA，那么2A器件一般需设计成2200～3 300个元


胞；而对于5 A/600V的器件则需设计成11000～16000个元胞。其中任一元胞的失效，都会造成整个器件的失效。每个单元所有的漏极都连通在一起，那么R_on与各单元的导通电阻R_on(cell)有下面关式


这里N_m是芯片中所含单元的总数，如果单元尺寸和R_on(cell)确定的话，则N_m和芯片大小也就被确定了。

R_on(cell)如图1所示，由4个部分构成。即


其中，R_ch为沟道电阻(即增强型MOS晶体管的沟道电阻)，在低压器件中，这部分电阻对R_on(cell)贡献较大；在高压器件中贡献较小；R_D 为栅电极正下方在n-层上形成的表面电荷积累层电阻；R_JFET为相邻两个P阱间的电阻(也称颈部电阻或JFET(JunctionField EffecTTransistor)部电阻)在导通状态下IGBT与VDMOS的导通压降可用下式表示。即



式(4)中，V_BE为晶体管的发射结压降，I_MOS是流过反型沟道的电流，同时也是BJT(Bipolar JunctionTransistor)的基极电流。如果不考虑IGBT器件的寄生晶闸管效应，IGBT的总电流I_E为


当IC 电流增大时，其饱和压降值V_CE(sat)也随之增大；在大电流下，V_CE( sat)通常显示为正温度系数。因此，为了减小V_CE(sat)和R_on，要根据工艺技术改进，实现单元微细化。从图1的结构可以看出，在IGBT器件的内部存在着一寄生的pnpn四层晶闸管结构。一旦该晶闸管导通,器件内部电流将不断增大，不受其栅压控制,因而失去了自关断能力，导致器件的毁坏性失效。闭锁效应的存在是IGBT器件的一个致命弱点。为了减小闭锁效应,可采用自对准技术实现单元微细化。采用自对准技术能使IGBT性能得以改善，主要是由于自对准技术可使阴极部分的n⁺区实现微细化。过去，大多数IGBT的制造者均采用图1结构。

Trench MOSFET器件的结构与性能特点

由于受扩散和光刻技术的限制，常规VDMOS和IGBT设计的最小单胞是32μm。为了有效地减少原胞尺寸和增加沟道密度，提出了采用垂直沟槽栅极(Trench gate)的VDMOS与IGBT (见图3)，开发了自调节工艺，使原胞尺寸减到6μm。



该工艺允许很高的沟道密度，而沟槽结构完全消除了寄生JFET效应，其正向压降明显减小,可获得2700A/cm²的擎佳电流密度。如图4所示,在制造工艺中，应使腐蚀沟槽的宽度最小，才能有效地增加沟道密度。按目前RIE刻蚀技术,最小沟槽宽度可为3μm,沟槽深度可为4～10μm。业已发现，槽深并不影响IGBT的击穿电压,击穿电压仅依赖于P基区宽度。

在图3 的沟槽结构IGBT中，其沟道电流的流向与器件的纵向结构相平行，而在图4的IGBT结构中，


沟道电流必须弯曲流动。可见，由于沟槽结构的IGBT中沟道电流流动更加容易,其通态电阻R_on更低。即在式(2)中没存在R_D (表面电荷积累层电阻)和RJFET(JFET部电阻)部分(见图5)。



所以高压VDMOSFET和IGBT为了降低通态压降和沟道电阻,增加沟道密度并降低元胞尺寸，普遍采用槽式栅级结构,从而获得大电流，低通态压降和高闭锁电流。

结　语

IGBT正在向高压(2.5～4.5 kV)大电流(1000～2500A)的方向发展,在结构上,IGBT和VDMOSFET采用了槽式栅极结构。新型槽式栅极结构的采用,可有效地提高IGBT与VDMOSFET的沟道密度和降低原胞尺寸。采用最新结构的IGBT和VDMOSFET具有低的通态压降和低的开关损耗,其通态特性和关断特性,实现了最佳折衷。槽式栅极IGBT(Trench GatEIGBT)的开发成功,为未来电力电子技术提供了新的机遇。