一種具有低壽命區(qū)的陽極短路4H-SiC IGBT仿真研究

毛鴻凱，蘇芳文，林 茂，張 飛，隋金池

(杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310018)

硅(Si)基器件的發(fā)展已達到了材料的極限，無法滿足電力電子系統(tǒng)越來越多的要求。以SiC、GaN為代表的第三代寬禁帶半導體材料逐漸取代Si材料進入了研究人員的視線中。SiC材料禁帶寬度大，飽和電子漂移速度高，熱導率高以及擊穿電場強度大，被廣泛應用在高溫、高壓及抗輻射等領域中[1-5]。

近幾年，很多研究者都將研究焦點轉(zhuǎn)移到了對器件的導通壓降和擊穿電壓進行折中，而對于器件關斷損耗的研究則相對較少[6-8]。目前主流的解決方法有3種：(1)合理設置器件的尺寸和參數(shù)，例如N+緩沖層的厚度及摻雜濃度；(2)設計具有特殊作用的新型IGBT器件，例如在器件內(nèi)部引入載流子增強層、異質(zhì)結(jié)以及透明陽極等[9-10]；(3)盡可能開發(fā)出新型的器件制造工藝，例如在NO氣氛中生長柵氧化層等。

為了在不影響器件其他特性的前提下進一步降低器件的關斷損耗，文中提出了一種在P基區(qū)中引入低壽命區(qū)同時集電極做成階梯型的LS-IGBT，通過控制注入到N-漂移區(qū)中的載流子數(shù)量來改善器件的電學特性。利用半導體器件仿真工具Silvaco Atlas對LS-IGBT進行電學特性的模擬仿真，然后分析器件的擊穿電壓、導通壓降及關斷損耗相對于傳統(tǒng)結(jié)構發(fā)生的變化。最終在維持擊穿電壓不變及不犧牲正向特性的前提下，獲得關斷損耗大幅減小的LS-IGBT結(jié)構。

1 器件結(jié)構及參數(shù)

1.1 器件結(jié)構

圖1分別是傳統(tǒng)溝槽結(jié)構(C-IGBT)和文中所提含低壽命區(qū)及階梯型集電極結(jié)構(LS-IGBT)的半元胞二維橫截面示意圖。從圖中可以看出，所提結(jié)構相對于傳統(tǒng)結(jié)構改變的只是P基區(qū)中引入了低壽命區(qū)，并且集電極電極做成了階梯形狀，除此之外，兩個器件的其余部分參數(shù)完全一致，相關結(jié)構參數(shù)及摻雜參數(shù)如表1所示[11-12]。柵極側(cè)墻和底部氧化層的厚度分別為50 nm和100 nm。N-漂移區(qū)中的載流子壽命為1 μs，N+緩沖層中的載流子壽命為0.1 μs。新結(jié)構中低壽命區(qū)域載流子壽命為1×10-10s，寬度為1.1 μm，P+集電區(qū)寬度為0.4 μm。

(a)

(b)圖1 器件橫截面示意圖(a)C-IGBT (b)LS-IGBTFigure 1. Schematic cross-sections of the device(a) C-IGBT(b) LS-IGBT

表1 器件結(jié)構參數(shù)Table 1. Device structural parameters

由于此前沒有進行過此結(jié)構的流片及相關測試工作，所以為了說明本文提出結(jié)構的實驗可行性，下面給出了實現(xiàn)該結(jié)構的主要工藝步驟。具體工藝流程如下：(1)在N+襯底上依次生長N+緩沖層、N-漂移區(qū)、CSL電流擴展層、P-基區(qū)；(2)使用中子輻射形成低壽命區(qū)，同時進行干法刻蝕形成柵極溝槽區(qū)域[13-14]；接著使用高能離子注入形成P+源區(qū)、N+源區(qū)以及P+屏蔽層[15]；(3)在干氧氣氛下生長柵極氧化層，并填充摻雜的多晶硅以形成柵電極；(4)將器件翻轉(zhuǎn)，移除N+襯底，使用高能離子注入依次形成P+集電區(qū)和N+緩沖層；(5)使用金屬進行填充，依次形成發(fā)射極和集電極[16]。

因為SiC材料硬度比較大，因此刻蝕難度較高，故可以使用SiO2作為掩膜，并利用含有SF6的感應耦合等離子體(ICP)刻蝕方法進行刻蝕。具體的刻蝕方案可以使用SF6/O2/Ar氣體的組合，其流量分別是4.2/8.4/28 sccm；壓強和溫度分別為0.4 Pa和80 ℃；ICP功率選取500 W，偏壓功率固定為15 W。在ICP刻蝕的過程中要時刻注意微型溝槽的形成，它可以引起電場集中效應，進而降低器件的擊穿電壓。刻蝕結(jié)束后溝槽表面難免會顯得比較粗糙，可通過后續(xù)的高溫退火過程加以改善。

1.2 工作原理

LS-IGBT器件主要用于在基本不影響擊穿特性及導通特性的前提下進一步降低關斷功率損耗。其主要原理是當柵極電壓大于閾值電壓，且集電極施加一定的正電壓時，N+源區(qū)中的電子就會經(jīng)由反型溝道注入到N-漂移區(qū)，同時集電區(qū)也會有空穴注入到漂移區(qū)，器件和傳統(tǒng)結(jié)構處于導通模式。與傳統(tǒng)結(jié)構不同的是，其集電區(qū)面積比較小，所以在同一個集電極偏置電壓下，集電區(qū)注入的空穴數(shù)量就會少于傳統(tǒng)結(jié)構。但是由于其在P-基區(qū)中引入了低壽命區(qū)，所以注入的空穴只有很小的一部分會經(jīng)由P-基區(qū)而到達P+源區(qū)，最終經(jīng)過兩者的綜合作用，就會使得器件在不影響正向?qū)ㄌ匦缘那疤嵯聯(lián)碛辛己玫年P斷特性。

2 電學特性仿真與分析

本次模擬仿真使用Silvaco Atlas仿真軟件，數(shù)據(jù)分析使用Origin數(shù)據(jù)處理軟件。在仿真中物理模型及相關參數(shù)的選取均是基于前人的研究。經(jīng)過仿真的器件已經(jīng)經(jīng)過了流片驗證[17-18]，這些模型及參數(shù)被廣泛用于仿真其他類型的4H-SiC IGBT。仿真中所使用的模型參數(shù)列于表2。仿真中主要使用的物理模型包括能帶變窄模型(BGN)、平行電場依賴性模型(FLDMOB)、費米模型(Fermi Model)、濃度依賴性遷移率模型(CONMOB)和復合模型(Schockley-Read-Hall、AUGER)等[19]。

表2 仿真模型參數(shù)Table 2. Simulation model parameters

2.1 擊穿特性

當器件的柵極和源極接地，集電極施加正向偏壓時，其工作于正向阻斷模式。當集電極電壓達到15 kV時，器件剛好達到它的雪崩擊穿電壓。擊穿時器件內(nèi)部的二維電場分布如圖2所示。從圖中可以看出，擊穿時傳統(tǒng)結(jié)構和所提結(jié)構的最大電場都出現(xiàn)在溝槽下方的屏蔽層拐角處，并且最大電場分別為2.96 MV·cm-1和3.03 MV·cm-1。因為4H-SiC材料的臨界擊穿電場是3 MV·cm-1，所以在此處依據(jù)器件內(nèi)部最大電場強度是否達到3 MV·cm-1來判斷器件是否發(fā)生了雪崩擊穿。

(a)

2.2 正向特性

圖3所示是傳統(tǒng)結(jié)構和所提結(jié)構的正向通態(tài)特性對比圖。從圖中可以看出，在集電極電流密度為100 A·cm-2時，C-IGBT和LS-IGBT的導通壓降分別為10.88 V和9.98 V，新結(jié)構的通態(tài)壓降相比于傳統(tǒng)結(jié)構降低了8.3%。所提結(jié)構雖然集電區(qū)的空穴注入面積相對較小，但是其內(nèi)部由于引入了低壽命區(qū)，這就使得絕大部分注入到N-漂移區(qū)中的空穴都參與了電導調(diào)制效應，提升了空穴載流子的利用率，改進結(jié)構的正向特性不但沒有損失還有所提高。

圖3 C-IGBT和LS-IGBT的正向I-V特性曲線圖Figure 3. Forward I-V characteristic curves of C-IGBT and LS-IGBT

圖4所示是器件正常導通時，位于X=1.45 μm處整個N-漂移區(qū)中的空穴濃度分布。從圖中可以明顯的看出，新結(jié)構在集電極一側(cè)的空穴注入濃度小于傳統(tǒng)結(jié)構。結(jié)合圖3所示器件擁有優(yōu)異的正向特性，這些結(jié)果證明了低壽命區(qū)在器件導通過程中所發(fā)揮的重要作用。

圖4 整個漂移區(qū)中的空穴濃度分布 Figure 4. Hole concentration distribution in the entire drift region

2.3 關斷特性

IGBT是基于電導調(diào)制效應工作的雙極型器件，其正常導通時在N-漂移區(qū)中存儲了大量的少數(shù)載流子，這就使得原來摻雜濃度較低、電阻較大的N-漂移區(qū)的通態(tài)電阻變的特別小，實現(xiàn)了較小的通態(tài)損耗。但是這對于器件的關斷過程來說是非常不利的，存儲在漂移區(qū)中的少數(shù)載流子泄放需要一定的時間，會形成較大的拖尾電流，進而產(chǎn)生不可忽略的關斷功率損耗。

因為日常生活中開關器件的應用電路通常比較復雜，所以根據(jù)其應用范圍抽象出簡單的關斷特性測試電路，測試電路如圖5所示。其中母線電壓Vbus設置為擊穿電壓的60%(9 000 V)，柵極電阻的阻值為10 Ω，電流源的電流值為2.1×10-6A。同時選用頻率為5 kHz，占空比為50%且電壓變化范圍從-5 V到20 V的電壓源來控制器件的導通和關斷。電路中的二極管D可以視為理想元件，器件橫截面面積為0.021 cm2主要是為了使通過器件橫截面的電流密度為100 A·cm-2。

圖5 關斷特性測試電路圖Figure 5. Turn-off characteristic test circuit diagram

圖6所示是傳統(tǒng)結(jié)構和所提結(jié)構的關斷特性曲線圖。從圖中可以很明顯的看出，無論是關斷時電壓的上升速度還是電流的下降速度，新結(jié)構都有明顯的優(yōu)勢。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析可以得出，傳統(tǒng)結(jié)構和所提結(jié)構的關斷損耗分別為7.77 mJ和1.2 mJ，新結(jié)構的關斷損耗提升了84.5%。

圖6 C-IGBT和LS-IGBT的關斷特性曲線Figure 6. Turn-off characteristic curves of C-IGBT and LS-IGBT

3 結(jié)束語

針對現(xiàn)有4H-SiC IGBT存在導通壓降和關斷損耗難以折中的問題，本文提出了含有低壽命區(qū)及階梯型集電極的LS-IGBT結(jié)構。在基本不影響器件其他電學特性的前提下，進一步降低了器件的關斷損耗。當器件處于正向?qū)üぷ髂Ｊ綍r，其集電極一側(cè)雖然相對于傳統(tǒng)結(jié)構注入的空穴數(shù)量較少，但是因為其P-基區(qū)中存在低壽命區(qū)，就使得注入到N-漂移區(qū)中的空穴有很少的一部分可以通過P-基區(qū)到達P+源區(qū)，從而可實現(xiàn)較低的通態(tài)壓降及關斷損耗。本文通過使用半導體器件仿真工具Silvaco Atlas對改進結(jié)構和傳統(tǒng)對照結(jié)構進行相關電學特性的對比仿真分析進一步驗證了設計思想。仿真結(jié)果顯示，在傳統(tǒng)結(jié)構和改進結(jié)構擊穿電壓一致的前提下，改進結(jié)構的關斷損耗和導通壓降相對于傳統(tǒng)結(jié)構分別提升了84.5%和8.3%。