注入增强型IGBT
1、结构特点与典型工艺
1.1结构提出与发展
为了协调IGBT通态特性与关断特性及短路特性之间的矛盾，提高器件的综合性能和可靠性，在IGBT中引入了一种电子注入增强效应（Injection Enhancement Effect，IE），既可加强IGBT导通时的电导调制效应，又可限制阳极空穴的注入，于是形成了注入增强型 IGBT（Injection Enhanced Insulated Gate Bipolar Transistor，IE-IGBT）。
尽管出现了很多结构，所采取的措施也不同，但目的都是提高通态时IGBT内部发射极侧的载流子浓度，即引入IE效应，以增强电导调制作用，从而解决IGBT通态特性和开关特性之间的矛盾，降低器件功耗。
1.2结构类型与特点
按栅极结构分：平面宽栅、沟槽宽栅、平面-沟槽栅（Trench-Planar Gate，TP）结构
按是否有虚拟元胞分：普通元胞和虚拟元胞结构
按辅助层的位置分：沟槽栅结构（如CST-BT）和平面栅结构（如EP-IGBT和HiGT）
图1 IEGT结构
图2 含虚拟元胞的窄槽栅IEGT结构
（1）宽栅IEGT结构
集电极注入的空穴在宽栅形成积累，引起发射极向漂移区注入的电子增强。
由于这两种结构的栅极尺寸较大，使得元胞密度和沟道密度减小，从而会影响器件的电流容量。
（2）虚拟元胞窄槽栅IEGT结构
部分元胞的p基区没有欧姆接触，成为p浮置区。导通期间，集电区注入的空穴将无法经过p浮置区到达发射极，于是会在p浮置区下方的n-漂移区内形成积累。
部分元胞的多晶硅栅极与发射极短路，导通期间，栅极两侧的p基区则不会形成导电沟道，于是从集电区注入的空穴无法与电子复合，也会在栅极下方的n-漂移区内形成堆积。
（3）n辅助层平面栅结构
HiGT结构通过离子注入工艺在n-漂移区和p基区之间形成一个n空穴势垒（HB）层，其掺杂浓度略高于n-漂移区的掺杂浓度，使得p基区与n辅助层间的内电位差增加了约0.2V，相当于增加了一个空穴势垒。导通期间大量空穴会积累在空穴势垒层下方，迫使n+发射区注入增强。该结构不需要像P-IEGT那样增加栅极宽度，就可获得较强的IE效应，但对n HB的掺杂浓度要求极为严格，设计不当会严重影响器件的阻断能力。
EP-IGBT结构是在普通平面栅P-IGBT的p基区侧面和底部分别增加了一个n增强层。与HiGT结构相比，EP-IGBT除了具有IE效应外，阻断电压较高；同时p基区侧面的n增强层会缩短沟道长度，有利于提高器件跨导和集电极电流，降低MOS沟道的压降。通过优化n增强层的参数，可增大其反偏安全工作区（RBSOA）。
图3 平面栅结构
（4）n辅助层沟槽栅结构
CSTBT结构是在p基区与n-漂移区之间增加一个n载流子存储（CS）层， 类似于HiGT结构中的n HB层。导通期间在n CS层下方会形成空穴积累层。如将n CS层和虚拟元胞相结合，可形成CSTBT结构，导通期间的IE效应会更强，从而获得更低的导通损耗和开关损耗。
图4 沟槽栅结构
图5a为东芝公司4.5kV P-IEGT芯片，尺寸为15mm×15mm，栅极压焊点均位于芯片角处。图5b为日立公司3.3kV/50A平面栅HiGT芯片，栅极压焊点位于芯片中央。图5c为三菱公司1.2kV/150A沟槽栅CSTBT芯片，栅极压焊点位于芯片的侧边和角上。
图5 各种不同IE-IGBT结构的芯片图形
1.3典型工艺
IE-IGBT关键工艺在于深而窄的沟槽刻蚀、n辅助层的注入技术及少子寿命控制技术。
（1）沟槽刻蚀工艺
在沟槽栅IEGT结构中，沟槽越深（约12μm），IE效应越强。为了消除栅氧化层不均匀引起的阈值电压变化，并提高MOS沟道电子的迁移率，需采用精细的RIE刻蚀工艺先形成沟槽，再生长牺牲氧化层来获得光滑的槽壁。对于宽槽栅（槽宽为8～12μm）结构，通常在氮氧化硅（SiON）掩蔽下进行沟槽刻蚀之后，再采用局部氧化（LOCOS）工艺来圆化沟槽底部拐角，并消除顶部的 “鸟嘴” 效应。
（2）n辅助层工艺
若采用常规掺杂工艺，由于存在杂质的补偿作用，会使沟道的净掺杂浓度降低，导致阈值电压下降，并影响沟道电子的迁移率，同时也很难形成掺杂浓度和厚度均合适的n辅助层。采用倒掺杂（Retro Grade Doping）工艺，可有效避免CS层对沟道掺杂浓度的补偿，有利于获得更高的沟道电子迁移率，并提高器件的均匀性，增大短路安全工作区（SCSOA）。
图6 载流子存储层的掺杂浓度分布
（3）载流子寿命控制技术
寿命控制技术改善IEGT开关特性，也会影响器件IE效应的强弱。与传统的均匀寿命控制相比，采用局部寿命控制，如质子辐照和H+、He2+等轻离子辐照，可将低寿命区控制在靠近n缓冲层的n-漂移区中，从而使器件的开关特性和通态特性同时得到改善。
2、工作原理与注入增强效应
2.1工作原理
无论是采用宽栅结构，还是虚拟元胞，或者增加n辅助层，都增强了发射极侧的载流子注入，使得器件内部的电导调制区域由局部的n-漂移区扩展到整个n-漂移区甚至n型辅助层中。所以，IE-IGBT具有比普通IGBT更好的通态特性。在采用n辅助层和虚拟元胞的复合结构中，IE效应会更加明显，电导调制区域更大，器件的特性会进一步改善。
2.2等效电路
IGBT可等效为MOSFET和pnp晶体管的级联，在导通状态下，IGBT可简化地等效为MOSFET和pin二极管的串联。
图7 IEGT导通状态下的等效结构及其载流子浓度分布与等效电路
图8 EP-IEGT结构中的pin二极管与pnp晶体管效应
如图8a所示，当n增强层位于元胞两侧时，沟道缩短，n+发射区的电子通过沟道后向元胞下方扩展，在栅极正下方的n-漂移区形成空穴积累，使pin二极管的效应加强。图8b当n增强层集中在元胞底部时，此时沟道长度不变，n+发射区的电子通过沟道后向栅极下方扩展，同时空穴会在元胞正下方的n增强层处形成积累，使pnp晶体管效应加强。
为了获得优良的导通特性，应加强P-IEGT内部的pin二极管效应。 但如果发射区附近的pin二极管效应增强，饱和电流特性变差。所以，为了获得优良的FBSOA，pin二极管效应需远离沟道和发射区。如图9所示的沟槽-平面栅TP-IEGT结构，在发射极元胞之间插入了沟槽（类似于TPMOS），于是沿沟槽侧壁会形成电子积累层，同时因沟槽和元胞之间的n-漂移区很窄，空穴只能在元胞下方的n-漂移区形成积累，产生电子注入增强效应，使pin二极管效应增强，并且pin二极管效应仅压缩在远离发射区的n-漂移区内，故TP-IEGT具有比P-IEGT更好的导通特性。
图9 沟槽平面栅IEGT
2.3注入增强效应及其表征
但IE效应起因于n-漂移区存在空穴积累，从集电区注入到n-漂移区的空穴数目并没有增加。可见，IE效应能方便地增加IE-IGBT发射极侧的电子积累，同时有效地控制集电极侧的空穴注入，因此很好地解决了IGBT耐压提高时关断特性与通态特性之间的矛盾。
可用发射极电子注入效率γn来表征IE效应的强弱。γn越大，IE效应越强，器件的通态特性越好。γn值不仅与MOSFET表面迁移率有关，还与栅极结构、集电极注入效率及发射极面积等因素有关。
图10 T-IGBT和T-IEGT的注入效率比较
沟槽栅IEGT和IGBT的电子注入效率比较如图10。两者的电子注入效率都随集电极电流密度的增加而减小，随沟道电子迁移率μns的增加而增加。T-IEGT的电子注入效率明显高于T-IGBT，并且随沟道电子迁移率的变化更加明显，这说明要提高T-IEGT的电子注入效率γn，必须提高MOS沟道的电子迁移率。
图11给出了P-IEGT和T-IEGT的电子注入效率与结构参数的变化关系。T-IEGT电子注入效率（γn≈0.75～0.83）明显高于P-IEGT（γn≈0.73～0.77），并且γn除了与MOS沟道电子的迁移率有关外，还与元胞宽度和沟槽栅尺寸有关。P-IEGT的γn随元胞半宽度W的增大呈线性增加，T-IEGT的γn随深度T和元胞半宽度W乘积的平方根增大呈非线性增加。
图11 P-IEGT和T-IEGT的电子注入效率γn与结构参数的关系曲线
3、静态与动态特性
3.1通态特性
P-IEGT的饱和电压主要由漂移区的压降Un-和集电结的压降Up+n决定。
式中JC为集电极电流密度；Wn-为n-漂移区厚度；ρc和ρe分别为集电极和发射极侧载流子浓度。
图12 T-IEGT的UCEsat随ρe和ρc变化曲线
图13 P-IEGT与T-IEGT特性比较
当集电极侧载流子浓度ρc一定时，UCEsat随ρe的增加而下降；当ρe一定时，ρc越高，UCEsat越低。适当提高IEGT集电极侧与发射极侧的载流子浓度，有助于实现理想的低饱和电压，但集电极侧的载流子浓度增加会导致关断特性变差。
3.2特性比较
图13所示为采用局部少子寿命控制的P-IEGT与T-IEGT关断能耗密度与饱和电压 UCEsat的关系。P-IEGT的UCEsat明显比T-IEGT的要高，并且沟槽越深，对改善T-IEGT关断特性与饱和电压越有利。
图14 几种不同结构的IE-IGBT特性的比较
采用LPT型耐压结构可进一步改善平面栅IE-IGBT的综合特性。图14a对4.5kV器件而言，当关断能量Eoff一定时，LPT-HiGT的饱和电压更低，而普通IGBT特性最差。图14b对6.5kV器件而言，当Eoff一定时，EP-IGBT的UCEsat比普通IGBT低30%。如果将沟槽栅n辅助层及LPT型结构相结合，可以获得更好的综合特性。如LPT-CSTBT结构的饱和电压比传统P-IGBT结构的下降约40%，并且耐压越高，CSTBT与传统P-IGBT结构的特性差异越大。