PF-CSTBT结构特性的优化设计

蔡清华，向 超，钟传杰

（1.江南大学物联网工程学院，江苏无锡214122；2.机械工业第六设计研究院有限公司河南郑州450007）

由于IGBT具有低功耗、开关速度快、可靠性高和易于模块化等优点，已被广泛应用于许多领域。针对一般沟槽栅IGBT耐压特性差以及短路安全工作范围小等缺点，文献[1]提出了CSTBT结构，有效地降低了导通压降，但同时也降低了器件耐压。文献[2]提出在沟槽栅下方增加P浮层的P-TIGBT结构，提高了器件的耐压，但却引起了寄生JFET效应。文献[3]结合CSTBT和P-TIGBT结构的优点，提出PFCSTBT新结构，并对CS层的浓度和厚度以及P浮层厚度等对PF-CSTBT结构电特性的影响进行了仿真研究，在维持不变的安全工作区的条件下，该结构显示了良好的导通特性和较高耐压。

文中对PF-CSTBT结构的CS掺杂浓度分布（高斯、线性和均匀分布）对导通压降和正向击穿电压的影响进行了仿真模拟研究，仿真结果表明，在高斯掺杂分布条件下，通过参数优化，不仅能得到较低的导通压降，器件的耐压特性也得到了显著地改善。

1 器件结构及工作原理

图1 结构对比图

CSTBT与PF-CSTBT结构示意图如图1所示，PF-CSTBT结构参数[4]由表1给出。对于传统的TIGBT，当栅压加正偏压且集电极加大于阈值电压的正偏压电场作用形成沟道，此时电子从N源区经过沟道流向N基区。此时，集电极P+发射区里的空穴，由于正向偏压的作用，一部分经过缓冲层向耐压区注入大量的空穴，所以耐压区内，载流子的掺杂浓度在正向导通时远大于其本身的掺杂浓度。而另一部分的空穴，直接穿过耐压区，向发射极移动[5-9]。与传统的槽栅型相比，CSTBT比TIGBT多了一个CS层，即在N基区与P阱中间附加了一层掺杂较高的N型阻挡层。载流子浓度存在一定的梯度，所以N型阻挡层与N基区交界面处会形成内建电场，电场的方向是从N型阻挡层指向N基区，正向导通时此电场阻挡了流向发射极的空穴，使N基区的空穴载流子浓度增多，提高了N基区的电导调制效应[10]。CSTBT具有更大的短路安全工作区并且其通态压降也会更低，同时获得更小的栅电容。PF-CSTBT的工作原理与传统的CSTBT类似，主要区别在于正向阻断时，PFCSTBT结构中重掺杂的CS层与N基区浓度梯度形成由CS层指向N基区的电场，因P浮层的增加，可以降低沟槽栅之间位置的电场分布，防止在沟槽位置击穿。同时，P浮层可改变整个电场分布，提高击穿电压。P浮层的引入亦可以因栅极电场作用，增加P浮层下表面的载流子浓度。

在正向阻断的情况下，PF-CSTBT与CSTBT不同的是P浮层与N基区形成反偏的PN结。因此，正向击穿电压被P阱与N基区、P浮层与N基区形成的PN结同承受，所形成的耗尽区向N基区扩展，从而能够有效地改善和提高了器件的正向阻断特性。

表1 PF-CSTBT结构参数

2 仿真实验与讨论

首先，仿真构造了CS掺杂浓度分别为高斯、线性和均匀分布3种器件，根据器件优化结果，主要参数如下：

1）3种分布的P浮层均为高斯分布，其峰值浓度为 5e16 cm-3、位置为 11 μm，P浮层PN结深 2.2 μm；2）N基区载流子寿命8 μs；3）P阱为高斯掺杂分布，表面掺杂浓度为 1e17 cm-3，深度为 3.4 μm；4）CS层厚度为4 μm，在保证CS层中离子注入的掺杂总量一定的条件下，实现上述的3种掺杂分布。CS掺杂浓度分布对导通压降及击穿电压的影响的仿真结果如表2所示。

计算结果表明，高斯分布与线性、均匀分布相比，导通压降分别降低15.3%与8%，而击穿电压几乎不变。图2显示了高斯分布、均匀分布与线性分布下漂移区中空穴浓度分布。在高斯掺杂条件下，漂移区空穴浓度最高，增强了电导调制效应，导通电阻降低。这是由于高斯掺杂下在CS层中形成了最强的电场，更加有效的阻止空穴向P基区的移动[11]，提高了储存在CS与N基区边界附近的空穴浓度，三种CS掺杂分布的电场分布如图3所示。

表2 CS分布方式对应PF-CSTBT的特性

图2 沿X=0坐标线，空穴载流子浓度分布

图3 沿X=0坐标线，电场分布

以上的仿真结果表明高斯分布明显地改善了器件的导通压降。因此，为了进一步优化分布的参数，在CS掺杂浓度为1e15 cm-3条件下，计算了不同CS层高斯掺杂峰值位置对导通压降与击穿电压的影响，如图4所示。导通压降在4 μm与4.2 μm分别对应最小值1.017 V与最大值1.024 V，而击穿电压相对变化较小，约为1 452 V。如图5给出了CS层高斯掺杂峰值浓度位置对N基区的空穴载流子浓度的影响。CS层高斯掺杂峰值位置改变，直接影响CS层的厚度。在峰值位置为4.2 μm的情况下，CS层下表面浓度较低，从而使势垒电场降低，减弱了空穴向P基区移动的能力。

图4 不同CS层高斯掺杂峰值位置对导通压降与击穿电压的影响

图5 CS层高斯掺杂峰值浓度位置对应空穴载流子分布

图6给出了导通压降、击穿电压与CS层高斯掺杂峰值浓度的关系。随着CS层掺杂浓度增加，导通压降减小，击穿电压几乎不变。由于CS层浓度逐渐变大，CS层与N基区载流子浓度梯度变化形成内建电场变强[12]，阻挡空穴向P基区的流动，增加了电导调制效应。与此同时，P阱与CS层形成的空间电荷区变窄，将使击穿电压下降[13]，但是，由于PF-CSTBT结构在正向阻断的情况下击穿电压被P阱与N基区形成的反偏PN结与P浮层与N基区所形成的反偏PN结共同承受，因此，在图6给出的范围内，CS层高斯掺杂峰值浓度的改变几乎没有对击穿电压产生影响。

图6 导通压降、击穿电压与CS层高斯掺杂峰值浓度的关系

图7 P浮层横向PN结深对应的导通压降及击穿电压

图7显示了不同P浮层横向PN结深对应的PFCSTBT的导通压降和击穿电压，其中CS层载流子浓度为5e16 cm-3，高斯掺杂峰值位置是4μm。随着P浮层横向PN结深变大，导通压降与击穿电压都变大。因P浮层与N基区形成的PN结在正常工作情况下会产生耗尽层[14]，随着结深的增加，耗尽层宽度也增加，因此，载流子流经的区域减小，所以导通压降随着结深增加而增加。同时，结深的增加使P浮层与N基区形成的PN结的耗尽区宽度增加从而降低了耗尽区内的最大电场，提高了击穿电压[15]。因此，在P浮层结深的选择中需要对导通压降与击穿电压进行折中考虑。

图8显示了导通压降和击穿电压与P浮层高斯掺杂峰值位置的关系。由于P浮层高斯掺杂浓度峰值位置改变了纵向PN结深，而不改变其横向PN结深，因此，导通压降稍稍增加。PF-CSTBT中最大场值降低，而沟槽底最大场向N基区移动，如图9所示，说明P浮层改变了沟槽的电场分布，保护沟槽，增加击穿电压。P浮层位置不同，改变电场分布效果不一样，并且当PF-CSTBT掺杂最大峰值位置向N基区转移，PF-CSTBT中电场的尖峰位置由一个最大值增加至两个，因此击穿电压有所提高[16]，但集电极-发射极漏电流过大，因此最佳峰值位置选取在沟槽栅附近。如图8所示，P浮层峰值位置在11μm时，击穿电压最大。综合两者，最好的掺杂峰值浓度位置在11 μm，可以实现导通压降和击穿电压的相对折中。

图8 导通压降和击穿电压与P浮层高斯掺杂峰值位置的关系

图9 PF-CSTBT掺杂峰值位置在10μm与11μm时最大场分布

3 结 论

本文对PF-CSTBT结构的CS掺杂浓度分布（高斯、线性和均匀分布）对导通压降和正向击穿电压的影响进行了仿真模拟研究。模拟结果表明在保证CS层中离子注入的掺杂总量一定的条件下，高斯分布与线性和均匀分布相比，其导通压降分别下降15.3%与8%，而击穿电压几乎不变。此外，为了进一步优化杂质分布的参数，也模拟研究了CS层和P浮层杂质高斯分布的峰值位置和浓度对导通压降和正向击穿电压的影响，结果表明：1）CS层高斯分布峰值浓度的增加可以有效降低导通压降，而对正向击穿电压几乎没有影响；2）P浮层高斯掺杂浓度峰值位置的合理选择在11 μm，即沟槽栅下N基区内，能够有效地提高正向击穿电压。