PF-CSTBT結構特性的優化設計

蔡清華，向 超，鐘傳杰

（1.江南大學物聯網工程學院，江蘇無錫214122；2.機械工業第六設計研究院有限公司河南鄭州450007）

由于IGBT具有低功耗、開關速度快、可靠性高和易于模塊化等優點，已被廣泛應用于許多領域。針對一般溝槽柵IGBT耐壓特性差以及短路安全工作范圍小等缺點，文獻[1]提出了CSTBT結構，有效地降低了導通壓降，但同時也降低了器件耐壓。文獻[2]提出在溝槽柵下方增加P浮層的P-TIGBT結構，提高了器件的耐壓，但卻引起了寄生JFET效應。文獻[3]結合CSTBT和P-TIGBT結構的優點，提出PFCSTBT新結構，并對CS層的濃度和厚度以及P浮層厚度等對PF-CSTBT結構電特性的影響進行了仿真研究，在維持不變的安全工作區的條件下，該結構顯示了良好的導通特性和較高耐壓。

文中對PF-CSTBT結構的CS摻雜濃度分布（高斯、線性和均勻分布）對導通壓降和正向擊穿電壓的影響進行了仿真模擬研究，仿真結果表明，在高斯摻雜分布條件下，通過參數優化，不僅能得到較低的導通壓降，器件的耐壓特性也得到了顯著地改善。

1 器件結構及工作原理

圖1 結構對比圖

CSTBT與PF-CSTBT結構示意圖如圖1所示，PF-CSTBT結構參數[4]由表1給出。對于傳統的TIGBT，當柵壓加正偏壓且集電極加大于閾值電壓的正偏壓電場作用形成溝道，此時電子從N源區經過溝道流向N基區。此時，集電極P+發射區里的空穴，由于正向偏壓的作用，一部分經過緩沖層向耐壓區注入大量的空穴，所以耐壓區內，載流子的摻雜濃度在正向導通時遠大于其本身的摻雜濃度。而另一部分的空穴，直接穿過耐壓區，向發射極移動[5-9]。與傳統的槽柵型相比，CSTBT比TIGBT多了一個CS層，即在N基區與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基區交界面處會形成內建電場，電場的方向是從N型阻擋層指向N基區，正向導通時此電場阻擋了流向發射極的空穴，使N基區的空穴載流子濃度增多，提高了N基區的電導調制效應[10]。CSTBT具有更大的短路安全工作區并且其通態壓降也會更低，同時獲得更小的柵電容。PF-CSTBT的工作原理與傳統的CSTBT類似，主要區別在于正向阻斷時，PFCSTBT結構中重摻雜的CS層與N基區濃度梯度形成由CS層指向N基區的電場，因P浮層的增加，可以降低溝槽柵之間位置的電場分布，防止在溝槽位置擊穿。同時，P浮層可改變整個電場分布，提高擊穿電壓。P浮層的引入亦可以因柵極電場作用，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基區形成反偏的PN結。因此，正向擊穿電壓被P阱與N基區、P浮層與N基區形成的PN結同承受，所形成的耗盡區向N基區擴展，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結構參數

2 仿真實驗與討論

首先，仿真構造了CS摻雜濃度分別為高斯、線性和均勻分布3種器件，根據器件優化結果，主要參數如下：

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結深 2.2 μm；2）N基區載流子壽命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，實現上述的3種摻雜分布。CS摻雜濃度分布對導通壓降及擊穿電壓的影響的仿真結果如表2所示。

計算結果表明，高斯分布與線性、均勻分布相比，導通壓降分別降低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中空穴濃度分布。在高斯摻雜條件下，漂移區空穴濃度最高，增強了電導調制效應，導通電阻降低。這是由于高斯摻雜下在CS層中形成了最強的電場，更加有效的阻止空穴向P基區的移動[11]，提高了儲存在CS與N基區邊界附近的空穴濃度，三種CS摻雜分布的電場分布如圖3所示。

表2 CS分布方式對應PF-CSTBT的特性

圖2 沿X=0坐標線，空穴載流子濃度分布

圖3 沿X=0坐標線，電場分布

以上的仿真結果表明高斯分布明顯地改善了器件的導通壓降。因此，為了進一步優化分布的參數，在CS摻雜濃度為1e15 cm-3條件下，計算了不同CS層高斯摻雜峰值位置對導通壓降與擊穿電壓的影響，如圖4所示。導通壓降在4 μm與4.2 μm分別對應最小值1.017 V與最大值1.024 V，而擊穿電壓相對變化較小，約為1 452 V。如圖5給出了CS層高斯摻雜峰值濃度位置對N基區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，從而使勢壘電場降低，減弱了空穴向P基區移動的能力。

圖4 不同CS層高斯摻雜峰值位置對導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應空穴載流子分布

圖6給出了導通壓降、擊穿電壓與CS層高斯摻雜峰值濃度的關系。隨著CS層摻雜濃度增加，導通壓降減小，擊穿電壓幾乎不變。由于CS層濃度逐漸變大，CS層與N基區載流子濃度梯度變化形成內建電場變強[12]，阻擋空穴向P基區的流動，增加了電導調制效應。與此同時，P阱與CS層形成的空間電荷區變窄，將使擊穿電壓下降[13]，但是，由于PF-CSTBT結構在正向阻斷的情況下擊穿電壓被P阱與N基區形成的反偏PN結與P浮層與N基區所形成的反偏PN結共同承受，因此，在圖6給出的范圍內，CS層高斯摻雜峰值濃度的改變幾乎沒有對擊穿電壓產生影響。

圖6 導通壓降、擊穿電壓與CS層高斯摻雜峰值濃度的關系

圖7 P浮層橫向PN結深對應的導通壓降及擊穿電壓

圖7顯示了不同P浮層橫向PN結深對應的PFCSTBT的導通壓降和擊穿電壓，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結深變大，導通壓降與擊穿電壓都變大。因P浮層與N基區形成的PN結在正常工作情況下會產生耗盡層[14]，隨著結深的增加，耗盡層寬度也增加，因此，載流子流經的區域減小，所以導通壓降隨著結深增加而增加。同時，結深的增加使P浮層與N基區形成的PN結的耗盡區寬度增加從而降低了耗盡區內的最大電場，提高了擊穿電壓[15]。因此，在P浮層結深的選擇中需要對導通壓降與擊穿電壓進行折中考慮。

圖8顯示了導通壓降和擊穿電壓與P浮層高斯摻雜峰值位置的關系。由于P浮層高斯摻雜濃度峰值位置改變了縱向PN結深，而不改變其橫向PN結深，因此，導通壓降稍稍增加。PF-CSTBT中最大場值降低，而溝槽底最大場向N基區移動，如圖9所示，說明P浮層改變了溝槽的電場分布，保護溝槽，增加擊穿電壓。P浮層位置不同，改變電場分布效果不一樣，并且當PF-CSTBT摻雜最大峰值位置向N基區轉移，PF-CSTBT中電場的尖峰位置由一個最大值增加至兩個，因此擊穿電壓有所提高[16]，但集電極-發射極漏電流過大，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，擊穿電壓最大。綜合兩者，最好的摻雜峰值濃度位置在11 μm，可以實現導通壓降和擊穿電壓的相對折中。

圖8 導通壓降和擊穿電壓與P浮層高斯摻雜峰值位置的關系

圖9 PF-CSTBT摻雜峰值位置在10μm與11μm時最大場分布

3 結 論

本文對PF-CSTBT結構的CS摻雜濃度分布（高斯、線性和均勻分布）對導通壓降和正向擊穿電壓的影響進行了仿真模擬研究。模擬結果表明在保證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，為了進一步優化雜質分布的參數，也模擬研究了CS層和P浮層雜質高斯分布的峰值位置和濃度對導通壓降和正向擊穿電壓的影響，結果表明：1）CS層高斯分布峰值濃度的增加可以有效降低導通壓降，而對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基區內，能夠有效地提高正向擊穿電壓。