PF-CSTBT結(jié)構(gòu)特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)

蔡清華，向 超，鐘傳杰

（1.江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫214122；2.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司河南鄭州450007）

由于IGBT具有低功耗、開關(guān)速度快、可靠性高和易于模塊化等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。針對(duì)一般溝槽柵IGBT耐壓特性差以及短路安全工作范圍小等缺點(diǎn)，文獻(xiàn)[1]提出了CSTBT結(jié)構(gòu)，有效地降低了導(dǎo)通壓降，但同時(shí)也降低了器件耐壓。文獻(xiàn)[2]提出在溝槽柵下方增加P浮層的P-TIGBT結(jié)構(gòu)，提高了器件的耐壓，但卻引起了寄生JFET效應(yīng)。文獻(xiàn)[3]結(jié)合CSTBT和P-TIGBT結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，提出PFCSTBT新結(jié)構(gòu)，并對(duì)CS層的濃度和厚度以及P浮層厚度等對(duì)PF-CSTBT結(jié)構(gòu)電特性的影響進(jìn)行了仿真研究，在維持不變的安全工作區(qū)的條件下，該結(jié)構(gòu)顯示了良好的導(dǎo)通特性和較高耐壓。

文中對(duì)PF-CSTBT結(jié)構(gòu)的CS摻雜濃度分布（高斯、線性和均勻分布）對(duì)導(dǎo)通壓降和正向擊穿電壓的影響進(jìn)行了仿真模擬研究，仿真結(jié)果表明，在高斯摻雜分布條件下，通過(guò)參數(shù)優(yōu)化，不僅能得到較低的導(dǎo)通壓降，器件的耐壓特性也得到了顯著地改善。

1 器件結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

CSTBT與PF-CSTBT結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，PF-CSTBT結(jié)構(gòu)參數(shù)[4]由表1給出。對(duì)于傳統(tǒng)的TIGBT，當(dāng)柵壓加正偏壓且集電極加大于閾值電壓的正偏壓電場(chǎng)作用形成溝道，此時(shí)電子從N源區(qū)經(jīng)過(guò)溝道流向N基區(qū)。此時(shí)，集電極P+發(fā)射區(qū)里的空穴，由于正向偏壓的作用，一部分經(jīng)過(guò)緩沖層向耐壓區(qū)注入大量的空穴，所以耐壓區(qū)內(nèi)，載流子的摻雜濃度在正向?qū)〞r(shí)遠(yuǎn)大于其本身的摻雜濃度。而另一部分的空穴，直接穿過(guò)耐壓區(qū)，向發(fā)射極移動(dòng)[5-9]。與傳統(tǒng)的槽柵型相比，CSTBT比TIGBT多了一個(gè)CS層，即在N基區(qū)與P阱中間附加了一層摻雜較高的N型阻擋層。載流子濃度存在一定的梯度，所以N型阻擋層與N基區(qū)交界面處會(huì)形成內(nèi)建電場(chǎng)，電場(chǎng)的方向是從N型阻擋層指向N基區(qū)，正向?qū)〞r(shí)此電場(chǎng)阻擋了流向發(fā)射極的空穴，使N基區(qū)的空穴載流子濃度增多，提高了N基區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)[10]。CSTBT具有更大的短路安全工作區(qū)并且其通態(tài)壓降也會(huì)更低，同時(shí)獲得更小的柵電容。PF-CSTBT的工作原理與傳統(tǒng)的CSTBT類似，主要區(qū)別在于正向阻斷時(shí)，PFCSTBT結(jié)構(gòu)中重?fù)诫s的CS層與N基區(qū)濃度梯度形成由CS層指向N基區(qū)的電場(chǎng)，因P浮層的增加，可以降低溝槽柵之間位置的電場(chǎng)分布，防止在溝槽位置擊穿。同時(shí)，P浮層可改變整個(gè)電場(chǎng)分布，提高擊穿電壓。P浮層的引入亦可以因柵極電場(chǎng)作用，增加P浮層下表面的載流子濃度。

在正向阻斷的情況下，PF-CSTBT與CSTBT不同的是P浮層與N基區(qū)形成反偏的PN結(jié)。因此，正向擊穿電壓被P阱與N基區(qū)、P浮層與N基區(qū)形成的PN結(jié)同承受，所形成的耗盡區(qū)向N基區(qū)擴(kuò)展，從而能夠有效地改善和提高了器件的正向阻斷特性。

表1 PF-CSTBT結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 仿真實(shí)驗(yàn)與討論

首先，仿真構(gòu)造了CS摻雜濃度分別為高斯、線性和均勻分布3種器件，根據(jù)器件優(yōu)化結(jié)果，主要參數(shù)如下：

1）3種分布的P浮層均為高斯分布，其峰值濃度為 5e16 cm-3、位置為 11 μm，P浮層PN結(jié)深 2.2 μm；2）N基區(qū)載流子壽命8 μs；3）P阱為高斯摻雜分布，表面摻雜濃度為 1e17 cm-3，深度為 3.4 μm；4）CS層厚度為4 μm，在保證CS層中離子注入的摻雜總量一定的條件下，實(shí)現(xiàn)上述的3種摻雜分布。CS摻雜濃度分布對(duì)導(dǎo)通壓降及擊穿電壓的影響的仿真結(jié)果如表2所示。

計(jì)算結(jié)果表明，高斯分布與線性、均勻分布相比，導(dǎo)通壓降分別降低15.3%與8%，而擊穿電壓幾乎不變。圖2顯示了高斯分布、均勻分布與線性分布下漂移區(qū)中空穴濃度分布。在高斯摻雜條件下，漂移區(qū)空穴濃度最高，增強(qiáng)了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，導(dǎo)通電阻降低。這是由于高斯摻雜下在CS層中形成了最強(qiáng)的電場(chǎng)，更加有效的阻止空穴向P基區(qū)的移動(dòng)[11]，提高了儲(chǔ)存在CS與N基區(qū)邊界附近的空穴濃度，三種CS摻雜分布的電場(chǎng)分布如圖3所示。

表2 CS分布方式對(duì)應(yīng)PF-CSTBT的特性

圖2 沿X=0坐標(biāo)線，空穴載流子濃度分布

圖3 沿X=0坐標(biāo)線，電場(chǎng)分布

以上的仿真結(jié)果表明高斯分布明顯地改善了器件的導(dǎo)通壓降。因此，為了進(jìn)一步優(yōu)化分布的參數(shù)，在CS摻雜濃度為1e15 cm-3條件下，計(jì)算了不同CS層高斯摻雜峰值位置對(duì)導(dǎo)通壓降與擊穿電壓的影響，如圖4所示。導(dǎo)通壓降在4 μm與4.2 μm分別對(duì)應(yīng)最小值1.017 V與最大值1.024 V，而擊穿電壓相對(duì)變化較小，約為1 452 V。如圖5給出了CS層高斯摻雜峰值濃度位置對(duì)N基區(qū)的空穴載流子濃度的影響。CS層高斯摻雜峰值位置改變，直接影響CS層的厚度。在峰值位置為4.2 μm的情況下，CS層下表面濃度較低，從而使勢(shì)壘電場(chǎng)降低，減弱了空穴向P基區(qū)移動(dòng)的能力。

圖4 不同CS層高斯摻雜峰值位置對(duì)導(dǎo)通壓降與擊穿電壓的影響

圖5 CS層高斯摻雜峰值濃度位置對(duì)應(yīng)空穴載流子分布

圖6給出了導(dǎo)通壓降、擊穿電壓與CS層高斯摻雜峰值濃度的關(guān)系。隨著CS層摻雜濃度增加，導(dǎo)通壓降減小，擊穿電壓幾乎不變。由于CS層濃度逐漸變大，CS層與N基區(qū)載流子濃度梯度變化形成內(nèi)建電場(chǎng)變強(qiáng)[12]，阻擋空穴向P基區(qū)的流動(dòng)，增加了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。與此同時(shí)，P阱與CS層形成的空間電荷區(qū)變窄，將使擊穿電壓下降[13]，但是，由于PF-CSTBT結(jié)構(gòu)在正向阻斷的情況下?lián)舸╇妷罕籔阱與N基區(qū)形成的反偏PN結(jié)與P浮層與N基區(qū)所形成的反偏PN結(jié)共同承受，因此，在圖6給出的范圍內(nèi)，CS層高斯摻雜峰值濃度的改變幾乎沒有對(duì)擊穿電壓產(chǎn)生影響。

圖6 導(dǎo)通壓降、擊穿電壓與CS層高斯摻雜峰值濃度的關(guān)系

圖7 P浮層橫向PN結(jié)深對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通壓降及擊穿電壓

圖7顯示了不同P浮層橫向PN結(jié)深對(duì)應(yīng)的PFCSTBT的導(dǎo)通壓降和擊穿電壓，其中CS層載流子濃度為5e16 cm-3，高斯摻雜峰值位置是4μm。隨著P浮層橫向PN結(jié)深變大，導(dǎo)通壓降與擊穿電壓都變大。因P浮層與N基區(qū)形成的PN結(jié)在正常工作情況下會(huì)產(chǎn)生耗盡層[14]，隨著結(jié)深的增加，耗盡層寬度也增加，因此，載流子流經(jīng)的區(qū)域減小，所以導(dǎo)通壓降隨著結(jié)深增加而增加。同時(shí)，結(jié)深的增加使P浮層與N基區(qū)形成的PN結(jié)的耗盡區(qū)寬度增加從而降低了耗盡區(qū)內(nèi)的最大電場(chǎng)，提高了擊穿電壓[15]。因此，在P浮層結(jié)深的選擇中需要對(duì)導(dǎo)通壓降與擊穿電壓進(jìn)行折中考慮。

圖8顯示了導(dǎo)通壓降和擊穿電壓與P浮層高斯摻雜峰值位置的關(guān)系。由于P浮層高斯摻雜濃度峰值位置改變了縱向PN結(jié)深，而不改變其橫向PN結(jié)深，因此，導(dǎo)通壓降稍稍增加。PF-CSTBT中最大場(chǎng)值降低，而溝槽底最大場(chǎng)向N基區(qū)移動(dòng)，如圖9所示，說(shuō)明P浮層改變了溝槽的電場(chǎng)分布，保護(hù)溝槽，增加擊穿電壓。P浮層位置不同，改變電場(chǎng)分布效果不一樣，并且當(dāng)PF-CSTBT摻雜最大峰值位置向N基區(qū)轉(zhuǎn)移，PF-CSTBT中電場(chǎng)的尖峰位置由一個(gè)最大值增加至兩個(gè)，因此擊穿電壓有所提高[16]，但集電極-發(fā)射極漏電流過(guò)大，因此最佳峰值位置選取在溝槽柵附近。如圖8所示，P浮層峰值位置在11μm時(shí)，擊穿電壓最大。綜合兩者，最好的摻雜峰值濃度位置在11 μm，可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通壓降和擊穿電壓的相對(duì)折中。

圖8 導(dǎo)通壓降和擊穿電壓與P浮層高斯摻雜峰值位置的關(guān)系

圖9 PF-CSTBT摻雜峰值位置在10μm與11μm時(shí)最大場(chǎng)分布

3 結(jié) 論

本文對(duì)PF-CSTBT結(jié)構(gòu)的CS摻雜濃度分布（高斯、線性和均勻分布）對(duì)導(dǎo)通壓降和正向擊穿電壓的影響進(jìn)行了仿真模擬研究。模擬結(jié)果表明在保證CS層中離子注入的摻雜總量一定的條件下，高斯分布與線性和均勻分布相比，其導(dǎo)通壓降分別下降15.3%與8%，而擊穿電壓幾乎不變。此外，為了進(jìn)一步優(yōu)化雜質(zhì)分布的參數(shù)，也模擬研究了CS層和P浮層雜質(zhì)高斯分布的峰值位置和濃度對(duì)導(dǎo)通壓降和正向擊穿電壓的影響，結(jié)果表明：1）CS層高斯分布峰值濃度的增加可以有效降低導(dǎo)通壓降，而對(duì)正向擊穿電壓幾乎沒有影響；2）P浮層高斯摻雜濃度峰值位置的合理選擇在11 μm，即溝槽柵下N基區(qū)內(nèi)，能夠有效地提高正向擊穿電壓。