超級(jí)結(jié)IGBT 擊穿特性仿真分析與橫向參數(shù)優(yōu)化

劉 亭，關(guān)艷霞，劉 勇，王卉如，鄧 杰

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng)110870）

1 引 言

IGBT 經(jīng)歷了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)到超級(jí)結(jié)IGBT 結(jié)構(gòu)的演變。傳統(tǒng)IGBT 結(jié)構(gòu)具有輸入阻抗高、電流處理能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但其在導(dǎo)通電阻與阻斷電壓之間存在矛盾，不利于高壓器件體積的縮小[1-4]。超級(jí)結(jié)IGBT利用交替P 型和N 型漂移區(qū)，形成了垂直方向的PN 結(jié)。當(dāng)施加陽(yáng)極偏壓時(shí)，柵電極與P、N 漂移區(qū)中垂直的PN 結(jié)同時(shí)形成耗盡層，在x 和y 方向產(chǎn)生了二維的電荷耦合。使y 方向電場(chǎng)從三角形分布變?yōu)榫匦畏植糩5]，提高了器件厚度的利用率，而且超級(jí)結(jié)IGBT 中允許對(duì)P、N 漂移區(qū)使用高摻雜濃度，高摻雜弄濃度會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常低的導(dǎo)通電阻，這就大大緩解了擊穿電壓與導(dǎo)通電阻之間的矛盾，有效減小了高壓器件的體積，同時(shí)也緩解了關(guān)斷功耗與擊穿電壓之間的矛盾。但正是因?yàn)槌?jí)結(jié)的存在，使IGBT 的制造工藝變得更加復(fù)雜，也使得影響超級(jí)結(jié)IGBT 擊穿電壓的因素變的更為復(fù)雜。在此對(duì)影響超級(jí)結(jié)IGBT 擊穿特性的橫向參數(shù)進(jìn)行討論，通過(guò)Silvaco 軟件進(jìn)行仿真，分析超級(jí)結(jié)IGBT 的P、N 漂移區(qū)濃度及寬度變化對(duì)擊穿電壓的影響。

2 器件的結(jié)構(gòu)模型

超級(jí)結(jié)IGBT 的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，仿真結(jié)構(gòu)如圖2 所示。濃度設(shè)計(jì)的參數(shù)如表1 所示。在此設(shè)計(jì)中，超級(jí)結(jié) IGBT 的 P、N 漂移區(qū)長(zhǎng)度為 35.5 μm，緩沖層長(zhǎng)度為 5 μm，P 型襯底長(zhǎng)度為 2 μm，N+區(qū)結(jié)深為 1μm，P+區(qū)結(jié)深為 2 μm，寬度為 5 μm。

圖1 超級(jí)結(jié)IGBT 結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 超級(jí)結(jié)IGBT 仿真圖

表1 超級(jí)結(jié)IGBT 濃度設(shè)計(jì)參數(shù)

3 阻斷機(jī)理分析

與具有相同設(shè)計(jì)參數(shù)的傳統(tǒng)IGBT 相比，超級(jí)結(jié)IGBT 可以承受更大的阻斷電壓。兩者電學(xué)特性比較情況如圖3 所示。在圖3(a)中可見(jiàn)，傳統(tǒng)IGBT的擊穿電壓為182.324 V；具有相同設(shè)計(jì)參數(shù)的超級(jí)結(jié)IGBT 的擊穿電壓則為616.061V，相比之下，比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)IGBT 的擊穿電壓高了433.737 V 之多。

超級(jí)結(jié)IGBT 的J2結(jié)反偏時(shí)P、N 漂移區(qū)完全耗盡，此時(shí)會(huì)在P、N 漂移區(qū)形成一個(gè)橫向的電場(chǎng)，與表面MOS 結(jié)構(gòu)還有J3結(jié)形成二維電荷耦合[6]。二維電荷耦合的存在改變了P、N 漂移區(qū)電場(chǎng)的縱向分布，使P、N 漂移區(qū)電場(chǎng)從傳統(tǒng)IGBT 的三角形分布變成矩形分布，如圖3(b)所示。圖中，電場(chǎng)線與坐標(biāo)軸所圍的面積代表器件所能承受的擊穿電壓，可以觀察出矩形面積大于三角形的面積，因此具有相同設(shè)計(jì)參數(shù)的超級(jí)結(jié)IGBT 的耐壓要高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的IGBT。超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)的存在使器件的擊穿電壓得到了提升，而超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)的濃度、寬度都會(huì)對(duì)超級(jí)結(jié)IGBT 的擊穿電壓產(chǎn)生很大的影響。

圖3 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)IGBT 電學(xué)特性比較

4 仿真分析及優(yōu)化

4.1 摻雜濃度對(duì)擊穿電壓影響仿真

不同P、N 漂移區(qū)摻雜濃度下的擊穿電壓曲線如圖4 所示。由圖中可見(jiàn)，超級(jí)結(jié)IGBT 的擊穿電壓隨著P、N 漂移區(qū)摻雜濃度的增加而逐漸降低，濃度越高擊穿電壓隨濃度增加而下降的幅度就越大。

圖4 不同P、N 漂移區(qū)摻雜濃度的擊穿電壓

通過(guò)對(duì)電場(chǎng)分布的仿真可用來(lái)分析擊穿電壓隨摻雜濃度的變化情況。在仿真結(jié)果中，超級(jí)結(jié)IGBT 擊穿時(shí)電場(chǎng)分布如圖5 所示。其中圖5(a)表示P、N 漂移區(qū)摻雜濃度為 1.5×1015cm-3時(shí)的電場(chǎng)分布，此時(shí)器件內(nèi)部最高電場(chǎng)出現(xiàn)在A 點(diǎn)附近；圖5(b)表示P、N 漂移區(qū)摻雜濃度為9×1015cm-3時(shí)的電場(chǎng)分布，此時(shí)器件內(nèi)部最高電場(chǎng)出現(xiàn)在J2結(jié)附近。仿真結(jié)果表明：P、N 漂移區(qū)濃度的變化不僅對(duì)超級(jí)結(jié)IGBT 的最大電場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生影響，還對(duì)最大電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生的位置有影響，此仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[7]結(jié)論一致：器件的擊穿電壓受器件內(nèi)最高電場(chǎng)強(qiáng)度的影響，在超級(jí)結(jié)IGBT 的結(jié)構(gòu)中橫、縱向最高電場(chǎng)強(qiáng)度隨P、N 漂移區(qū)摻雜濃度的變化而變化。

圖5 超級(jí)結(jié)IGBT 擊穿時(shí)電場(chǎng)分布

P、N 漂移區(qū)摻雜濃度不同時(shí)電場(chǎng)峰值分布曲線如圖6 所示。隨著P、N 漂移區(qū)摻雜濃度的增加，P、N漂移區(qū)橫、縱向的電場(chǎng)強(qiáng)度均繼續(xù)增大，但縱向電場(chǎng)強(qiáng)度隨P、N 漂移區(qū)濃度增加的幅度要小于橫向電場(chǎng)增加的幅度。當(dāng)P、N 漂移區(qū)摻雜濃度大于或等于B 點(diǎn)摻雜濃度時(shí)，超級(jí)結(jié)IGBT 首先在J2結(jié)發(fā)生擊穿；而當(dāng)P、N 漂移區(qū)摻雜濃度小于B 點(diǎn)摻雜濃度時(shí)，超級(jí)結(jié)IGBT 首先在A 點(diǎn)附近發(fā)生擊穿。從器件的損壞機(jī)理來(lái)看，在J2結(jié)處擊穿要優(yōu)于在A 點(diǎn)處擊穿，因?yàn)镴2結(jié)的擊穿面積大于A 點(diǎn)，雪崩擊穿時(shí)產(chǎn)生的電流分布更均勻，溫度分布更均勻，不會(huì)因局部電流集中導(dǎo)致局部溫度過(guò)高而燒壞器件。在滿足器件設(shè)計(jì)條件的基礎(chǔ)上應(yīng)盡量使P、N 漂移區(qū)的摻雜濃度高于B 點(diǎn)處，使雪崩發(fā)生在器件內(nèi)部J2結(jié)處，以延長(zhǎng)器件使用壽命。但是，J2結(jié)空間電荷區(qū)的展寬會(huì)隨著P、N 漂移區(qū)濃度的增加而減小，當(dāng)P、N 漂移區(qū)摻雜濃度過(guò)高時(shí)會(huì)出現(xiàn)P、N 漂移區(qū)未完全耗盡的情況，反而導(dǎo)致了超級(jí)結(jié)IGBT 擊穿電壓的下降。

圖6 不同P、N 漂移區(qū)摻雜濃度下的電場(chǎng)峰值分布

4.2 超級(jí)結(jié)橫向?qū)挾葘?duì)擊穿電壓影響仿真

通過(guò)仿真，P、N 漂移區(qū)寬度對(duì)擊穿電壓的影響如圖7 所示?？梢?jiàn)，超級(jí)結(jié)IGBT 的擊穿電壓會(huì)隨著P、N 漂移區(qū)寬度增加而略有增加；當(dāng)P、N 漂移區(qū)寬度為3.5 μm 時(shí)擊穿電壓達(dá)到最大值622.506 V；當(dāng)P、N 漂移區(qū)寬度繼續(xù)增大，超級(jí)結(jié)IGBT 的擊穿電壓急劇下降。

圖7 P、N 漂移區(qū)寬度對(duì)擊穿電壓的影響

超級(jí)結(jié)IGBT 中橫、縱向電場(chǎng)隨P、N 漂移區(qū)寬度的變化導(dǎo)致超級(jí)結(jié)IGBT 內(nèi)部電勢(shì)由均勻分布變?yōu)椴痪鶆蚍植?，且隨著P、N 漂移區(qū)寬度增加，陽(yáng)極側(cè)的電勢(shì)逐漸減小。超級(jí)結(jié)IGBT 擊穿時(shí)電勢(shì)隨P、N 漂移區(qū)寬度的變化如圖8 所示。超級(jí)結(jié)IGBT 內(nèi)橫向最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨P、N 漂移區(qū)寬度的增大而增大。不同P、N 漂移區(qū)寬度下對(duì)應(yīng)的橫向電場(chǎng)分布如圖9 所示。由于超級(jí)結(jié)的電場(chǎng)是典型的二維電場(chǎng)[8]，橫、縱向電場(chǎng)的變化都會(huì)影響超級(jí)結(jié)內(nèi)各個(gè)位置的電場(chǎng)分布。

圖8 擊穿時(shí)電勢(shì)隨P、N 漂移區(qū)寬度變化情況

圖9 不同P、N 漂移區(qū)寬度下橫向電場(chǎng)分布

不同漂移區(qū)寬度下超級(jí)結(jié)IGBT 內(nèi)部電場(chǎng)分布如圖10 所示。當(dāng)P、N 漂移區(qū)寬度較小時(shí)，漂移區(qū)處于耗盡狀態(tài)，電場(chǎng)分布相對(duì)均勻，此時(shí)器件能承受較高的電壓。

圖10 不同漂移區(qū)寬度下電場(chǎng)分布

隨著 P、N 漂移區(qū)寬度的逐漸增大，在 J2、J3結(jié)處電場(chǎng)強(qiáng)度增大，電場(chǎng)分布不均，器件所能承受的耐壓開(kāi)始降低。當(dāng)P、N 漂移區(qū)寬度繼續(xù)增大時(shí)，超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)在擊穿時(shí)還未完全耗盡，將導(dǎo)致器件耐壓性能急劇下降。

4.3 橫向參數(shù)優(yōu)化

超級(jí)結(jié)橫向參數(shù)帶來(lái)的影響既是獨(dú)立的，也是相互聯(lián)系的。P、N 漂移區(qū)濃度對(duì)擊穿電壓的影響也與P、N 漂移區(qū)寬度有關(guān)，不同的寬度要匹配不同的濃度才能使器件既滿足設(shè)計(jì)要求又具有良好的特性。在不同耐壓下對(duì)超級(jí)結(jié)IGBT 漂移區(qū)濃度、寬度所進(jìn)行的橫向參數(shù)優(yōu)化如圖11 所示。超級(jí)結(jié)IGBT在相同電壓下，P、N 漂移區(qū)的寬度越窄，對(duì)應(yīng)的優(yōu)化摻雜濃度就越高。在P、N 漂移區(qū)寬度相同時(shí)，超級(jí)結(jié)IGBT 的擊穿電壓越高，優(yōu)化摻雜濃度就越低。P、N 漂移區(qū)摻雜濃度相同時(shí)，超級(jí)結(jié)IGBT 的擊穿電壓就越高，優(yōu)化寬度越窄。

圖11 漂移區(qū)寬度及摻雜濃度優(yōu)化圖

綜合考慮超級(jí)結(jié)IGBT 橫向參數(shù)對(duì)擊穿電壓的影響，在超級(jí)結(jié)IGBT 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，P、N 漂移區(qū)的摻雜濃度和寬度不必完全相同，只要實(shí)現(xiàn)超級(jí)結(jié)二維電荷耦合的電荷平衡，P、N 漂移區(qū)的摻雜濃度為最佳摻雜濃度即可，這也為器件的設(shè)計(jì)提供了更大的選擇余地。

5 結(jié) 束 語(yǔ)

針對(duì)超級(jí)結(jié)IGBT 的橫向電場(chǎng)強(qiáng)度與P、N 漂移區(qū)濃度變化的關(guān)系，以及擊穿電壓與P、N 漂移區(qū)寬度變化的關(guān)系，展開(kāi)了一系列仿真并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)而做出設(shè)計(jì)上的優(yōu)化。對(duì)器件的失效機(jī)理也進(jìn)行了深入探討。通過(guò)仿真研究，能夠更加深入了解漂移區(qū)參數(shù)對(duì)超級(jí)結(jié)IGBT 擊穿電壓的影響，通過(guò)合理改變相應(yīng)的參數(shù)，能夠得到一個(gè)性能更好的、滿足設(shè)計(jì)要求的器件結(jié)構(gòu)。