碳化硅IGBT結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用優(yōu)勢詳解

碳化硅igbt的優(yōu)勢是什么？什么是碳化硅？碳化硅是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生產(chǎn)綠色碳化硅時(shí)需要加食鹽）等原料通過電阻爐高溫冶煉而成。碳化硅在大自然也存在罕見的礦物，莫桑石。 碳化硅又稱碳硅石。在當(dāng)代C、N、B等非氧化物高技術(shù)耐火原料中，碳化硅為應(yīng)用最廣泛、最經(jīng)濟(jì)的一種，可以稱為金鋼砂或耐火砂。 目前中國工業(yè)生產(chǎn)的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種，均為六方晶體，比重為3.20～3.25，顯微硬度為2840～3320kg/mm2。

碳化硅igbt的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用

碳化硅igbt的優(yōu)勢，盡管碳化硅功率MOS的阻斷電壓已能做到10kV，但作為一種缺乏電導(dǎo)調(diào)制的單極型器件，進(jìn)一步提高阻斷電壓也會(huì)面臨不可逾越的通態(tài)電阻問題，就像1000V阻斷電壓對于硅功率MOS那樣。理論計(jì)算表明，要做一個(gè)耐壓20kV的碳化硅功率MOS，其n型外延層的厚度需要超過172μm，相應(yīng)的漂移區(qū)最小比電阻會(huì)超過245mΩ·cm2。因此高壓大電流器件(>7kV，>100A)的希望寄托在碳化硅BJT上，特別是既能利用電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)降低通態(tài)壓降又能利用MOS柵降低開關(guān)功耗、提高工作頻率的碳化硅IGBT上。

由于電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，碳化硅高壓IGBT的通態(tài)比電阻遠(yuǎn)比碳化硅功率MOS低，而且在阻斷電壓額定值升高時(shí)變化不大。在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)充分發(fā)揮作用的情況下，IGBT漂移區(qū)的通態(tài)壓降只與載流子的雙極擴(kuò)散系數(shù)和雙極壽命有關(guān)，而不會(huì)隨著導(dǎo)通電流的升高而升高。圖1所示，為碳化硅IGBT與碳化硅功率MOS在額定阻斷電壓均設(shè)計(jì)為20kV時(shí)的理論伏安特性之比較，表現(xiàn)了IGBT十分明顯的高壓優(yōu)勢。

圖中還可看到，當(dāng)工作溫度發(fā)生變化時(shí)，碳化硅高壓IGBT的通態(tài)壓降隨著結(jié)溫的升高而降低。這主要是因?yàn)樘蓟柰庋訉又蓄~外載流子的雙極壽命會(huì)隨著溫度的升高而延長，雖然擴(kuò)散系數(shù)會(huì)隨著溫度的升高而有一定縮小，但壽命的更大延長最終使雙極擴(kuò)散長度增大，從而使通態(tài)壓降降低。這種情況在n溝道器件中尤其明顯。

這跟功率MOS的正向壓降在高溫狀態(tài)下的較大幅度升高形成鮮明對照。碳化硅p溝道IGBT因?yàn)闇系离娮栎^大而在相同電流密度下比n溝道IGBT通態(tài)壓降高一些，但其高低溫狀態(tài)下的伏安特性變化不大。從應(yīng)用的角度看，這無疑也是一種優(yōu)勢。

圖1 碳化硅IGBT與碳化硅功率MOS在耐壓20kV相同條件下的特性比較

由圖1中的等功耗曲線與這幾種器件的通態(tài)特性曲線的交點(diǎn)不難算出：對應(yīng)于相同的功耗300W/cm2，碳化硅IGBT與碳化硅功率MOS的通態(tài)電流之比對p溝器件和n溝器件有所不同，在室溫下分別是1.5和1.8，在225℃下則分別提高到2.7和3.5，說明高壓大電流碳化硅IGBT更適合于高溫應(yīng)用。

與碳化硅BJT相比，碳化硅IGBT因使用絕緣柵而具有很高的輸入阻抗，其驅(qū)動(dòng)方式和驅(qū)動(dòng)電路相對比較簡單。但是，碳化硅IGBT研制工作的困難也很大。研發(fā)初期的主要困難是p型碳化硅因受主雜質(zhì)的電離能較高(200meV)而比具有相同雜質(zhì)濃度的n型碳化硅的載流子密度低，因而p溝道IGBT很難獲得低阻的源極接觸，而n溝道IGBT又需要用p型碳化硅作襯底(注入層)，以至其襯底電阻往往比其電壓阻斷層(漂移區(qū))的電阻還高。由于這個(gè)原因，對碳化硅IGBT的研發(fā)工作起步較晚，1999年才首見報(bào)道。這是一個(gè)阻斷電壓僅為790V的p溝道4H-SIC IGBT，而且通態(tài)壓降很高，在75 A/cm2電流密度下即高達(dá)15V。這說明碳化硅IGBT在阻斷電壓不高的情況下相對于碳化硅功率MOS來說并沒有什么優(yōu)勢，其優(yōu)越性只在10000V以上的高壓應(yīng)用中才能凸顯出來。

隨著材料制備技術(shù)和器件工藝技術(shù)的進(jìn)步，碳化硅IGBT的研制在2005年前后取得重大進(jìn)展。2005年報(bào)道了世界上第一個(gè)阻斷電壓高達(dá)10kV的IGBT，這是一個(gè)采用UMOS做柵的p溝道4H-SIC器件，其面積很小，有源區(qū)尺寸為0.5mm×0.5mm。2006年，報(bào)道了世界上第一個(gè)阻斷電壓達(dá)到5.8kV的平面溝道4H-SIC IGBT，其有源區(qū)面積增大到4.5mm2，但室溫下的通態(tài)比電阻高達(dá)570mΩ·cm2(柵壓-30V)。2007年，他們的這項(xiàng)研究取得重大突破，具有相同結(jié)構(gòu)但元胞寬度和漂移區(qū)寬度都增大一倍的器件阻斷電壓提高到7.5kV，而室溫下的通態(tài)比電阻降低到26mΩ·cm2(柵壓-16V)。

值得注意的是這些器件都是p溝道，其元胞結(jié)構(gòu)如圖2所示。開發(fā)碳化硅IGBT之所以頃向于采用p溝道形式，首先是因?yàn)閜型漂移區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制效果明顯優(yōu)于n型漂移區(qū)，因而容易降低通態(tài)壓降。參見圖2可知，p溝IGBT的主發(fā)射區(qū)是n+襯底，而n溝IGBT的主發(fā)射區(qū)是p+襯底，在摻雜濃度相等的情況下，N+發(fā)射區(qū)的注入效率顯然要高得多。當(dāng)然，p型漂移區(qū)的高效電導(dǎo)調(diào)制也離不開其少子壽命的提高。從應(yīng)用的角度看，p溝IGBT還有兩個(gè)優(yōu)勢，一是其安全工作區(qū)面積大，這是因?yàn)?H-SIC中空穴比電子的碰撞電離系數(shù)大，npn晶體管要比pnp晶體管耐沖擊；二是因?yàn)閜溝IGBT的溝道體是n+阱而n溝IGBT的溝道體是p+阱，由于n+阱比p+阱的薄層電阻低得多，因而p溝IGBT的寄生pnpn晶閘管要比n溝IGBT的寄生npnp晶閘管的擎住電流密度高得多，p溝IGBT的寄生晶閘管不容易起作用。

當(dāng)然，碳化硅n溝道IGBT也有其優(yōu)點(diǎn)，特別是在碳化硅材料的額外載流子壽命還很低的時(shí)候(目前一般不到0.5μs)。壽命低，注入載流子的電導(dǎo)調(diào)制效果就不會(huì)很明顯。在這種情況下，n型碳化硅的低阻優(yōu)勢對降低IGBT的通態(tài)比電阻就很關(guān)鍵了。同時(shí)，n溝道IGBT因?yàn)樽⑷胄实停瑢?dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在漂移區(qū)中的額外空穴的密度也低，其關(guān)斷時(shí)間也就明顯短于p溝道IGBT。

圖2 平面柵p溝IGBT元胞結(jié)構(gòu)示意圖