一種低功耗4H-SiC IGBT的仿真研究

蘇芳文，毛鴻凱，隋金池，林 茂，張 飛

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

第三代半導(dǎo)體材料4H-SiC由于具有高臨界擊穿電場、高電子飽和漂移速度、優(yōu)異的熱導(dǎo)率和抗輻照能力等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)[1-7]，被視作功率器件的理想材料。作為功率半導(dǎo)體器件的重要組成部分，4H-SiC絕緣柵雙極晶體管(4H-SiC IGBT)也受到越來越多的關(guān)注。

4H-SiC具有10倍于傳統(tǒng)Si材料的臨界擊穿電場，應(yīng)此較為適合應(yīng)用于15 kV以上的超高壓領(lǐng)域，已有文獻(xiàn)對相關(guān)研究團(tuán)隊的工作進(jìn)行了說明[8-10]。另外，相關(guān)研究指出，N-漂移區(qū)厚度和摻雜濃度與IGBT擊穿電壓關(guān)系密切[11-13]；優(yōu)化IGBT結(jié)構(gòu)參數(shù)也并非唯一提高器件性能的方式，設(shè)計新型終端結(jié)構(gòu)[14-15]及改良SiC制造工藝[16-17]同樣能夠起到提升器件性能的作用。

對于4H-SiC IGBT來說，其優(yōu)異的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使器件在正向?qū)〞r可獲得較低的正向壓降，這使得IGBT器件在超高壓領(lǐng)域相比于其他功率器件更具有優(yōu)勢[18]。但與此同時，N-漂移區(qū)中過高的載流子密度也拖慢了4H-SiC IGBT關(guān)斷時間。拖尾電流的存在使得4H-SiC IGBT關(guān)斷損耗不容忽視，平衡正向?qū)ㄌ匦耘c關(guān)斷損耗成已為設(shè)計4H-SiC IGBT必須要考慮的問題。

為改善4H-SiC IGBT關(guān)斷時間過長以及關(guān)斷能量損耗過大的問題，本文提出一種新型4H-SiC溝槽柵絕緣柵雙極晶體管(4H-SiC C-TIGBT)結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)4H-SiC溝槽柵絕緣柵雙極晶體管(4H-SiC C-TIGBT)相比，在N+緩沖層中引入相互垂直的P區(qū)與N區(qū)，所構(gòu)成的PN結(jié)在4H-SiC N-TIGBT關(guān)斷過程中處于反向偏置狀態(tài)。本文利用其內(nèi)部電場加快N-漂移區(qū)中載流子的抽取，提升器件關(guān)斷速度并降低關(guān)斷能量損耗。同時，反向偏置PN結(jié)電場優(yōu)化了N-漂移區(qū)內(nèi)部電場分布，對提升器件擊穿電壓起到了幫助作用。

1 器件結(jié)構(gòu)及參數(shù)

1.1 器件結(jié)構(gòu)

圖1展示了所設(shè)計的4H-SiC N-TIGBT以及對比參照的4H-SiC C-TIGBT半元胞結(jié)構(gòu)。從圖1中可以看出，兩者僅在N+緩沖層區(qū)域的設(shè)計上存在不同。4H-SiC C-TIGBT和4H-SiC N-TIGBT的詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置如表1所示。器件中電流擴(kuò)展層起到了將電流均勻分布的作用；柵極下方的P+屏蔽層起到了保護(hù)溝槽柵底部的作用，有利于SiC材料充分發(fā)揮耐高壓的優(yōu)勢。考慮到器件正導(dǎo)通向特性與關(guān)斷特性存在折中關(guān)系，將N-漂移區(qū)中載流子壽命設(shè)置為1 μs，N+緩沖層中載流子壽命設(shè)置為0.1 μs。另外，為滿足器件在15 kV以上的超高壓領(lǐng)域安全工作，N-漂移區(qū)厚度參數(shù)被設(shè)置為160 μm。

(a)

結(jié)合SiC材料特性與功率半導(dǎo)體器件制造工藝條件，4H-SiC N-TIGBT工藝流程可以由以下幾個步驟實(shí)現(xiàn)：(1)在N型4H-SiC基片上外延生長過渡層，并在過渡層上依次外延生長N-漂移層和N+緩沖層；(2)N+緩沖層進(jìn)行多步離子注入后得到P區(qū)和N區(qū)；(3)通過外延工藝，在N+緩沖層上生長P型外延層，離子注入并快速退火后得到P+集電極；(4)去除過渡層并翻轉(zhuǎn)SiC基片，利用成熟UMOSFET工藝形成溝槽柵MOS結(jié)構(gòu)；(5)淀積金屬，形成良好歐姆接觸的電極。

表1 C-TIGBT與N-TIGBT結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1. Structural parameters of C-TIGBT and N-TIGBT

1.2 4H-SiC N-TIGBT工作原理

4H-SiC N-TIGBT的設(shè)計初衷在于改善4H-SiC C-TIGBT關(guān)斷能量耗過大的問題，同時盡量不影響器件其它特性。當(dāng)4H-SiC N-TIGBT正向?qū)〞r，電子經(jīng)由溝槽柵附近導(dǎo)電溝道流向N-漂移區(qū)，與此同時，集電極的正電壓促使P+集電區(qū)向N-漂移區(qū)注入大量空穴，引發(fā)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使4H-SiC N-TIGBT同時具有低正向壓降與高電流密度。當(dāng)4H-SiC N-TIGBT正向耐壓時，N+緩沖層中由P區(qū)與N區(qū)所構(gòu)成的PN結(jié)反向偏置。同樣，由P-體區(qū)與N-漂移區(qū)構(gòu)成的PN結(jié)也處于反向偏置狀態(tài)，4H-SiC N-TIGBT正向耐壓由兩組反向偏置的PN結(jié)共同承擔(dān)，進(jìn)而提升器件擊穿電壓。4H-SiC N-TIGBT關(guān)斷過程中，N+緩沖層中反向偏置的PN結(jié)會產(chǎn)生一個反向的電場，這個額外的電場會加速N-漂移區(qū)中存儲的電子掃除到集電極區(qū)域，加快4H-SiC N-TIGBT關(guān)斷速度，進(jìn)而改善器件關(guān)斷能量損耗。

2 電學(xué)特性仿真與分析

電學(xué)特性的好壞是衡量功率半導(dǎo)體器件性能的重要指標(biāo)。對于4H-SiC N-TIGBT來說，正向?qū)ㄌ匦杂脕砗饬科骷９ぷ鲿r的導(dǎo)電性；耐壓特性用來表征器件可承受的最高電壓；關(guān)斷特性可以指示器件關(guān)斷能量損耗的大小。本文使用Silvaco TCAD仿真軟件對4H-SiC N-TIGBT進(jìn)行仿真，仿真使用的物理模型基于之前的研究，包括復(fù)合模型、能帶變窄模型、平行電場依賴模型、濃度遷移率模型、碰撞電離模型。相比于Si材料，4H-SiC具有特殊的材料特性，仿真中使用的4H-SiC材料參數(shù)如表2所示。

表2 4H-SiC材料仿真參數(shù)Table 2. Simulation parameters of 4H-SiC materials

2.1 正向?qū)ㄌ匦?/h3>

電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的存在使IGBT相較于其他功率半導(dǎo)體器件正向壓降更低。圖2中對比了4H-SiC C-TIGBT與4H-SiC N-TIGBT正向?qū)〞r集電極電壓與集電極電流密度。從圖中可以看出，相較于4H-SiC C-TIGBT，4H-SiC N-TIGBT的正向壓降略有升高，在30 A·cm-2的集電極電流密度下[19]，正向?qū)▔航颠_(dá)到了6.89 V，增大了0.3 V。這可以解釋為，4H-SiC N-TIGBT在N+緩沖層中額外引入了一個更高濃度的N區(qū)。相比于4H-SiC C-TIGBT正向?qū)〞r，P+集電極注入的空穴會同時被N+緩沖層和更高濃度N區(qū)中的電子復(fù)合一部分，造成P+集電極注入到N-漂移區(qū)中空穴濃度下降，減弱了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，起到降低降低器件正向電流密度的作用，使得4H-SiC N-TIGBT的正向壓降相比于4H-SiC C-TIGBT有所提高。

圖2 C-TIGBT和N-TIGBT正向?qū)ㄌ匦詫Ρ菷igure 2. Comparison of forward conduction characteristics of C-TIGBT and N-TIGBT

圖3將4H-SiC C-TIGBT與4H-SiC N-TIGBT N-漂移區(qū)中空穴電流密度豎直分布進(jìn)行了對比，截線位置位于X=1 μm處。由圖可知，4H-SiC N-TIGBT N-漂移區(qū)中空穴電流密度略低于4H-SiC C-TIGBT，這證實(shí)了之前的推測。

圖3 N-漂移區(qū)中的空穴電流密度分布對比 Figure 3. Comparison of hole current density distribution in the N-drift region

2.2 正向耐壓特性

圖4展示了4H-SiC C-TIGBT與4H-SiC N-TIGBT正向耐壓狀態(tài)下溝槽柵拐角附近的二維電場分布，器件集電極所施加電壓分別為15 kV和16 kV。根據(jù)器件內(nèi)部最高電場是否達(dá)到SiC材料臨界擊穿電場3 MV·cm-1來判斷器件是否擊穿。由于溝槽柵IGBT正向耐壓時，電場會在溝槽柵拐角處聚集，造成該位置提前擊穿，因此該位置處電場分布可作為指示器件是否擊穿的判據(jù)。溝槽柵拐角附近電場典型值已在圖4中被標(biāo)示出來，由圖可知，4H-SiC C-TIGBT和4H-SiC N-TIGBT均處于臨界擊穿狀態(tài)，但此時4H-SiC N-TIGBT所承擔(dān)的正向耐壓要高于4H-SiC C-TIGBT。這可以解釋為，4H-SiC N-TIGBT中更高濃度P區(qū)和N區(qū)的引入提升了N+緩沖層整體施主濃度，這對提升器件擊穿電壓提供了幫助；另一方面，反向偏置PN結(jié)提供的反向電場優(yōu)化了N-漂移區(qū)中電場分布，增加了器件正向耐壓。綜合以上分析，N+緩沖層中插入P區(qū)與N區(qū)對器件擊穿電壓提升起到了積極影響。

(a)

2.3 關(guān)斷特性

電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)改善4H-SiC N-TIGBT正向?qū)ㄌ匦缘耐瑫r，也帶來了關(guān)斷時間過長的問題，限制了器件在高頻領(lǐng)域的應(yīng)用。這主要?dú)w因于4H-SiC N-TIGBT關(guān)斷時拖尾電流持續(xù)時間過長。因此，優(yōu)化器件關(guān)斷特性可從加快器件N-漂移區(qū)中存儲載流子提取速度的方向展開研究，通過加快N-漂移區(qū)中載流子提取速度來降低器件關(guān)斷能量損耗。

為了測試4H-SiC N-TIGBT的關(guān)斷能量損耗，本研究搭建了圖5所示的測試電路[20]。其中電壓源Vg產(chǎn)生作用于柵極且頻率為5 kHz的方波電壓，其變化范圍為-5～20 V，占空比為50%；柵極電阻Rg設(shè)定值為10 Ω；并聯(lián)在集電極與發(fā)射極的二極管D可看做理想元器件，器件橫截面積為0.021 cm2，用來模擬通過器件100 A·cm-2的電流密度；總線電壓Vbus值設(shè)置為擊穿電壓的60%；電流源Iout用來提供恒定的電流。

圖5 關(guān)斷特性測試電路圖Figure 5. Test circuit for turn-off characteristics

圖6展示了4H-SiC C-TIGBT與4H-SiC N-TIGBT關(guān)斷過程中集電極電壓與集電極電流密度隨時間的變化情況，為了在同等條件下分析器件關(guān)斷特性，總線電壓設(shè)置為9 000 V。從集電極電壓的變化情況可以看出，4H-SiC N-TIGBT電壓上升速度更快，最先達(dá)到總線電壓值，并率先開始進(jìn)入電流下降階段。集電極電流密度的的對比情況則更加明顯，4H-SiC N-TIGBT的電流下降速度更快，說明在4H-SiC N-TIGBT中，N-漂移區(qū)中過剩載流子的提取速度更快。綜合集電極電壓與集電極電流密度的變化情況可知，4H-SiC N-TIGBT擁有更快的關(guān)斷速度。計算結(jié)果顯示，相比4H-SiC C-TIGBT，4H-SiC N-TIGBT關(guān)斷能量損耗為4.63 mJ，關(guān)斷能量損耗降低了40.41%。

圖6 C-TIGBT和N-TIGBT關(guān)斷特性對比Figure 6. Comparison of turn-off performance between C-TIGBT and N-TIGBT

為了進(jìn)一步分析4H-SiC N-TIGBT關(guān)斷特性，對4H-SiC C-TIGBT和4H-SiC N-TIGBT關(guān)斷過程中N-漂移區(qū)中電子電流密度與復(fù)合速率進(jìn)行了提取，提取位置為集電極上方6 μm橫截線處，結(jié)果如圖7所示。對于電子電流密度來說，4H-SiC N-TIGBT相較于4H-SiC C-TIGBT明顯更低，這表明4H-SiC N-TIGBT存在額外提取N-漂移區(qū)中過剩載流子方式。這可以解釋為，器件關(guān)斷時，N+緩沖層中P區(qū)與N區(qū)構(gòu)成的PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，空間電荷區(qū)中電場會加速N-漂移區(qū)中電子掃除到P+集電極，加快了N-漂移區(qū)中電子的提取，縮短了4H-SiC N-TIGBT的關(guān)斷時間。對比圖7中N-漂移區(qū)中載流子的復(fù)合速率可以看出，4H-SiC C-TIGBT明顯更高，這也從另一個方面說明4H-SiC C-TIGBT N-漂移區(qū)中過剩載流子去除方式主要通過復(fù)合來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過對比，4H-SiC N-TIGBT在關(guān)斷能量損耗方面更有優(yōu)勢。

圖7 電子電流密度與復(fù)合速率對比Figure 7. Comparison of electron current density and recombination rate

3 結(jié)束語

本文在4H-SiC C-TIGBT基礎(chǔ)上，設(shè)計并仿真了一種改善關(guān)斷能量損耗和正向耐壓的4H-SiC N-TIGBT結(jié)構(gòu)。Silvaco TCAD仿真結(jié)果顯示，4H-SiC N-TIGBT在正向?qū)ㄌ匦該p失很小的情況下提升了關(guān)斷速度。器件通過在N+緩沖層中引入兩組高摻雜濃度的P區(qū)與N區(qū)，為器件正向耐壓時提供反向偏置電場，優(yōu)化了4H-SiC N-TIGBT正向耐壓特性。仿真結(jié)果顯示，擊穿電壓相比正向耐壓為15 kV的4H-SiC C-TIGBT提升了1 kV；在關(guān)斷能量損耗方面，N+緩沖層中引入的反向偏置PN能提供加速N-漂移區(qū)中過剩載流子抽取到集電極方向的電場，提升了載流子提取速度，降低了關(guān)斷能量損耗。仿真結(jié)果顯示，4H-SiC N-TIGBT關(guān)斷能量損耗低至4.63 mJ，相比4H-SiC C-TIGBT降低了40.41%。