一種低功耗4H-SiC IGBT的仿真研究

蘇芳文，毛鴻凱，隋金池，林 茂，張 飛

(杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310018)

第三代半導體材料4H-SiC由于具有高臨界擊穿電場、高電子飽和漂移速度、優異的熱導率和抗輻照能力等優點，已成為當今的研究熱點[1-7]，被視作功率器件的理想材料。作為功率半導體器件的重要組成部分，4H-SiC絕緣柵雙極晶體管(4H-SiC IGBT)也受到越來越多的關注。

4H-SiC具有10倍于傳統Si材料的臨界擊穿電場，應此較為適合應用于15 kV以上的超高壓領域，已有文獻對相關研究團隊的工作進行了說明[8-10]。另外，相關研究指出，N-漂移區厚度和摻雜濃度與IGBT擊穿電壓關系密切[11-13]；優化IGBT結構參數也并非唯一提高器件性能的方式，設計新型終端結構[14-15]及改良SiC制造工藝[16-17]同樣能夠起到提升器件性能的作用。

對于4H-SiC IGBT來說，其優異的電導調制效應使器件在正向導通時可獲得較低的正向壓降，這使得IGBT器件在超高壓領域相比于其他功率器件更具有優勢[18]。但與此同時，N-漂移區中過高的載流子密度也拖慢了4H-SiC IGBT關斷時間。拖尾電流的存在使得4H-SiC IGBT關斷損耗不容忽視，平衡正向導通特性與關斷損耗成已為設計4H-SiC IGBT必須要考慮的問題。

為改善4H-SiC IGBT關斷時間過長以及關斷能量損耗過大的問題，本文提出一種新型4H-SiC溝槽柵絕緣柵雙極晶體管(4H-SiC C-TIGBT)結構。與傳統4H-SiC溝槽柵絕緣柵雙極晶體管(4H-SiC C-TIGBT)相比，在N+緩沖層中引入相互垂直的P區與N區，所構成的PN結在4H-SiC N-TIGBT關斷過程中處于反向偏置狀態。本文利用其內部電場加快N-漂移區中載流子的抽取，提升器件關斷速度并降低關斷能量損耗。同時，反向偏置PN結電場優化了N-漂移區內部電場分布，對提升器件擊穿電壓起到了幫助作用。

1 器件結構及參數

1.1 器件結構

圖1展示了所設計的4H-SiC N-TIGBT以及對比參照的4H-SiC C-TIGBT半元胞結構。從圖1中可以看出，兩者僅在N+緩沖層區域的設計上存在不同。4H-SiC C-TIGBT和4H-SiC N-TIGBT的詳細結構參數設置如表1所示。器件中電流擴展層起到了將電流均勻分布的作用；柵極下方的P+屏蔽層起到了保護溝槽柵底部的作用，有利于SiC材料充分發揮耐高壓的優勢?？紤]到器件正導通向特性與關斷特性存在折中關系，將N-漂移區中載流子壽命設置為1 μs，N+緩沖層中載流子壽命設置為0.1 μs。另外，為滿足器件在15 kV以上的超高壓領域安全工作，N-漂移區厚度參數被設置為160 μm。

(a)

結合SiC材料特性與功率半導體器件制造工藝條件，4H-SiC N-TIGBT工藝流程可以由以下幾個步驟實現：(1)在N型4H-SiC基片上外延生長過渡層，并在過渡層上依次外延生長N-漂移層和N+緩沖層；(2)N+緩沖層進行多步離子注入后得到P區和N區；(3)通過外延工藝，在N+緩沖層上生長P型外延層，離子注入并快速退火后得到P+集電極；(4)去除過渡層并翻轉SiC基片，利用成熟UMOSFET工藝形成溝槽柵MOS結構；(5)淀積金屬，形成良好歐姆接觸的電極。

表1 C-TIGBT與N-TIGBT結構參數Table 1. Structural parameters of C-TIGBT and N-TIGBT

1.2 4H-SiC N-TIGBT工作原理

4H-SiC N-TIGBT的設計初衷在于改善4H-SiC C-TIGBT關斷能量耗過大的問題，同時盡量不影響器件其它特性。當4H-SiC N-TIGBT正向導通時，電子經由溝槽柵附近導電溝道流向N-漂移區，與此同時，集電極的正電壓促使P+集電區向N-漂移區注入大量空穴，引發電導調制效應，使4H-SiC N-TIGBT同時具有低正向壓降與高電流密度。當4H-SiC N-TIGBT正向耐壓時，N+緩沖層中由P區與N區所構成的PN結反向偏置。同樣，由P-體區與N-漂移區構成的PN結也處于反向偏置狀態，4H-SiC N-TIGBT正向耐壓由兩組反向偏置的PN結共同承擔，進而提升器件擊穿電壓。4H-SiC N-TIGBT關斷過程中，N+緩沖層中反向偏置的PN結會產生一個反向的電場，這個額外的電場會加速N-漂移區中存儲的電子掃除到集電極區域，加快4H-SiC N-TIGBT關斷速度，進而改善器件關斷能量損耗。

2 電學特性仿真與分析

電學特性的好壞是衡量功率半導體器件性能的重要指標。對于4H-SiC N-TIGBT來說，正向導通特性用來衡量器件正常工作時的導電性；耐壓特性用來表征器件可承受的最高電壓；關斷特性可以指示器件關斷能量損耗的大小。本文使用Silvaco TCAD仿真軟件對4H-SiC N-TIGBT進行仿真，仿真使用的物理模型基于之前的研究，包括復合模型、能帶變窄模型、平行電場依賴模型、濃度遷移率模型、碰撞電離模型。相比于Si材料，4H-SiC具有特殊的材料特性，仿真中使用的4H-SiC材料參數如表2所示。

表2 4H-SiC材料仿真參數Table 2. Simulation parameters of 4H-SiC materials

2.1 正向導通特性

電導調制效應的存在使IGBT相較于其他功率半導體器件正向壓降更低。圖2中對比了4H-SiC C-TIGBT與4H-SiC N-TIGBT正向導通時集電極電壓與集電極電流密度。從圖中可以看出，相較于4H-SiC C-TIGBT，4H-SiC N-TIGBT的正向壓降略有升高，在30 A·cm-2的集電極電流密度下[19]，正向導通壓降達到了6.89 V，增大了0.3 V。這可以解釋為，4H-SiC N-TIGBT在N+緩沖層中額外引入了一個更高濃度的N區。相比于4H-SiC C-TIGBT正向導通時，P+集電極注入的空穴會同時被N+緩沖層和更高濃度N區中的電子復合一部分，造成P+集電極注入到N-漂移區中空穴濃度下降，減弱了電導調制效應，起到降低降低器件正向電流密度的作用，使得4H-SiC N-TIGBT的正向壓降相比于4H-SiC C-TIGBT有所提高。

圖2 C-TIGBT和N-TIGBT正向導通特性對比Figure 2. Comparison of forward conduction characteristics of C-TIGBT and N-TIGBT

圖3將4H-SiC C-TIGBT與4H-SiC N-TIGBT N-漂移區中空穴電流密度豎直分布進行了對比，截線位置位于X=1 μm處。由圖可知，4H-SiC N-TIGBT N-漂移區中空穴電流密度略低于4H-SiC C-TIGBT，這證實了之前的推測。

圖3 N-漂移區中的空穴電流密度分布對比 Figure 3. Comparison of hole current density distribution in the N-drift region

2.2 正向耐壓特性

圖4展示了4H-SiC C-TIGBT與4H-SiC N-TIGBT正向耐壓狀態下溝槽柵拐角附近的二維電場分布，器件集電極所施加電壓分別為15 kV和16 kV。根據器件內部最高電場是否達到SiC材料臨界擊穿電場3 MV·cm-1來判斷器件是否擊穿。由于溝槽柵IGBT正向耐壓時，電場會在溝槽柵拐角處聚集，造成該位置提前擊穿，因此該位置處電場分布可作為指示器件是否擊穿的判據。溝槽柵拐角附近電場典型值已在圖4中被標示出來，由圖可知，4H-SiC C-TIGBT和4H-SiC N-TIGBT均處于臨界擊穿狀態，但此時4H-SiC N-TIGBT所承擔的正向耐壓要高于4H-SiC C-TIGBT。這可以解釋為，4H-SiC N-TIGBT中更高濃度P區和N區的引入提升了N+緩沖層整體施主濃度，這對提升器件擊穿電壓提供了幫助；另一方面，反向偏置PN結提供的反向電場優化了N-漂移區中電場分布，增加了器件正向耐壓。綜合以上分析，N+緩沖層中插入P區與N區對器件擊穿電壓提升起到了積極影響。

(a)

2.3 關斷特性

電導調制效應改善4H-SiC N-TIGBT正向導通特性的同時，也帶來了關斷時間過長的問題，限制了器件在高頻領域的應用。這主要歸因于4H-SiC N-TIGBT關斷時拖尾電流持續時間過長。因此，優化器件關斷特性可從加快器件N-漂移區中存儲載流子提取速度的方向展開研究，通過加快N-漂移區中載流子提取速度來降低器件關斷能量損耗。

為了測試4H-SiC N-TIGBT的關斷能量損耗，本研究搭建了圖5所示的測試電路[20]。其中電壓源Vg產生作用于柵極且頻率為5 kHz的方波電壓，其變化范圍為-5～20 V，占空比為50%；柵極電阻Rg設定值為10 Ω；并聯在集電極與發射極的二極管D可看做理想元器件，器件橫截面積為0.021 cm2，用來模擬通過器件100 A·cm-2的電流密度；總線電壓Vbus值設置為擊穿電壓的60%；電流源Iout用來提供恒定的電流。

圖5 關斷特性測試電路圖Figure 5. Test circuit for turn-off characteristics

圖6展示了4H-SiC C-TIGBT與4H-SiC N-TIGBT關斷過程中集電極電壓與集電極電流密度隨時間的變化情況，為了在同等條件下分析器件關斷特性，總線電壓設置為9 000 V。從集電極電壓的變化情況可以看出，4H-SiC N-TIGBT電壓上升速度更快，最先達到總線電壓值，并率先開始進入電流下降階段。集電極電流密度的的對比情況則更加明顯，4H-SiC N-TIGBT的電流下降速度更快，說明在4H-SiC N-TIGBT中，N-漂移區中過剩載流子的提取速度更快。綜合集電極電壓與集電極電流密度的變化情況可知，4H-SiC N-TIGBT擁有更快的關斷速度。計算結果顯示，相比4H-SiC C-TIGBT，4H-SiC N-TIGBT關斷能量損耗為4.63 mJ，關斷能量損耗降低了40.41%。

圖6 C-TIGBT和N-TIGBT關斷特性對比Figure 6. Comparison of turn-off performance between C-TIGBT and N-TIGBT

為了進一步分析4H-SiC N-TIGBT關斷特性，對4H-SiC C-TIGBT和4H-SiC N-TIGBT關斷過程中N-漂移區中電子電流密度與復合速率進行了提取，提取位置為集電極上方6 μm橫截線處，結果如圖7所示。對于電子電流密度來說，4H-SiC N-TIGBT相較于4H-SiC C-TIGBT明顯更低，這表明4H-SiC N-TIGBT存在額外提取N-漂移區中過剩載流子方式。這可以解釋為，器件關斷時，N+緩沖層中P區與N區構成的PN結處于反偏狀態，空間電荷區中電場會加速N-漂移區中電子掃除到P+集電極，加快了N-漂移區中電子的提取，縮短了4H-SiC N-TIGBT的關斷時間。對比圖7中N-漂移區中載流子的復合速率可以看出，4H-SiC C-TIGBT明顯更高，這也從另一個方面說明4H-SiC C-TIGBT N-漂移區中過剩載流子去除方式主要通過復合來實現。經過對比，4H-SiC N-TIGBT在關斷能量損耗方面更有優勢。

圖7 電子電流密度與復合速率對比Figure 7. Comparison of electron current density and recombination rate

3 結束語

本文在4H-SiC C-TIGBT基礎上，設計并仿真了一種改善關斷能量損耗和正向耐壓的4H-SiC N-TIGBT結構。Silvaco TCAD仿真結果顯示，4H-SiC N-TIGBT在正向導通特性損失很小的情況下提升了關斷速度。器件通過在N+緩沖層中引入兩組高摻雜濃度的P區與N區，為器件正向耐壓時提供反向偏置電場，優化了4H-SiC N-TIGBT正向耐壓特性。仿真結果顯示，擊穿電壓相比正向耐壓為15 kV的4H-SiC C-TIGBT提升了1 kV；在關斷能量損耗方面，N+緩沖層中引入的反向偏置PN能提供加速N-漂移區中過剩載流子抽取到集電極方向的電場，提升了載流子提取速度，降低了關斷能量損耗。仿真結果顯示，4H-SiC N-TIGBT關斷能量損耗低至4.63 mJ，相比4H-SiC C-TIGBT降低了40.41%。