IGBT的正面结构变迁

IGBT的正面结构，主要是栅极结构，决定了器件的关断速度和导通压降，制约着器件的鲁棒特性，其重要性不言而喻，但在IGBT过去近35年的发展历程中，栅极结构经历了哪些变迁？是否有规律可循？未来又会向何处发展呢？

1  十年一轮回 未来或可期

从1980s平面栅主导，到1990s沟槽栅主导，再到2000前后以注入增强型沟槽为主导，纵观过去20年的发展历程，栅极结构的变革呈现两大特点：一是，几乎每隔十年栅极结构便会经历一次大变革，其主线是实现芯片低导通压降、低损耗、高关断速度，同时保持一定的可靠性；二是，栅极变革的速度有放缓之势。

对国内的厂商而言，不幸的是新一轮的结构变革从2015年前后就已经开启，以沟槽栅为基础，除了实现器件的超高频（~100KHZ）、低损耗外，还必须具备超强鲁棒特性（未来的芯片主要面向的电动汽车和家电领域，对可靠性的要求是前所未有的严格）。然而庆幸的，按照栅极结构的发展趋势，新一轮的栅极结构可能会统治芯片未来约15年的发展，另外，目前这些新技术尚处于探索阶段，产品还未完全实现批量生产，两者均为国产芯片厂商的追赶留下了宝贵的时间。那么为什么沟槽栅会成为主导？为什么仅运用沟槽栅还不够还要结合注入增强技术？国际和国内的主流厂商在新型栅极结构方面都有哪些探索？且听慢慢分解。

2  为什么沟槽栅会取代平面栅？

沟槽栅逐步取代平面栅不是上天自有安排，也不是人们主动为之，而是现实对低损耗、高功率密度、高可靠性性功率半导体的需求，迫使科学家、工程师必须做出选择。

虽然平面栅IGBT的制造工艺简单，但是由于栓锁效应的影响，工作时的电流密度较低，不满足大功率器件的要求。与此同时，由于平面栅固有的顽疾——JFET效应，使得器件的导通压降较大，不满足低损耗应用的要求。与之相比，沟槽栅IGBT具有如下三个方面的显著优点：

一是，沟槽栅IGBT的栅极宽度远小于平面栅（约五分之一至十分之一），这样在相同的芯片面积下，沟道密度可以显著增加，从而提高电流密度，减小导通压降约15-20%；

二是，沟槽栅IGBT从根本上消除了JFET效应，消除了JFET电阻的影响，也可以降低器件的导通压降；

三是，沟槽栅IGBT的发射极长度远小于平面栅，由于栓锁电流密度随着发射极的长度的增加呈线性减小的趋势[3]，因此显著减小发射极的长度将大大提高器件栓锁电流的密度（提高4-5倍），使得器件工作在更高电流密下工作成为了可能。同时栓锁电流密度的提高，也提高可器件抗动态栓锁的能力，从而提高了器件的可靠性。

   以上的三大特点使得沟槽栅IGBT可以工作功率更大、工作损耗更低，符合功率器件低损耗、高功率密度、高可靠性的发展趋势。

3 为什么沟槽栅要结合注入增强的方案？

时间来到了1990年以后，1700V及以上电压等级的功率半导体器件开始在工业变频和轨道交通等领域被强烈的需求着，但是常规的沟槽栅IGBT的由于导通压降过大而无法满足需求（虽然采用了沟槽栅结构使得导通压降与平面栅相比有了很大的下降，但仍满足不了实际应用的需求）。那么该如何进一步降低导通压降呢？答案是少子注入增强（IE：Injection enhancement）。其中两种典型的结构来源于两家日系企业东芝和三菱。

1993年东芝公司提出了注入增强型的IGBT——IEGT，使得4500V IEGT-IGBT的导通压降与常规的沟槽栅相比减小了几倍。其后如浮空p结构均借鉴与此；

1996年三菱电机提出具有载流子存储层结构的IGBT——CSTBT（CSTBT：carrier stored trench-gate bipolar transistor）。通过在p阱的底部增加一层n层结构实现空穴的注入增强效应。通过采用此结构，使得1700V IGBT的导通压降与常规沟槽栅相比下降了约17%。由于工艺难度低，导通压降降低明显，一经推出便风靡整个IGBT圈，其后的沟槽栅IGBT几乎全都借鉴了这一结构，只是加上其它结构的优化，各家对此的叫法均不相同（继续关注IGBT人的那些属于IGBT厂商专有词语一文）。

4 为什么发展新型栅极结构？

时间来到了2015年前后，以电动汽车和家电为代表的实际应用，对IGBT的性能提出三大要求即超高频、低损耗、超高可靠性。IGBT该如何进行结构设计才能满足上述要求呢？

别无办法，只能进行结构创新，在此方面各大厂商可谓是八仙过海各显神通，如日立的side-gate结构，中车半导体的RET结构，英飞凌的MPT结构和富士电机的Fin-p结构等等，但主要的发展方向是减小栅间距，即所谓的精细沟槽。

一、超高频：如50-100KHZ，为了提高关断速度，必须降低关断损耗，器件正面侧的优化就是要降低Miller电容，如Hitachi的side-gate结构当然背面侧也许进行优化，比如缓冲层和集电极极优化（继续关注IGBT人后续退出的IGBT背面结构知多少）；

二、低损耗：IE效应可以获得良好的折衷关系，但确要以牺牲耐压为代价，而采用精细沟槽技术却可以在不牺牲耐压的前提下，实现更好的导通压降与关断损耗之间的折衷关系（即关断损耗低同时导通压降小的点，通常而言关断损耗与导通压降呈反相关的关系，一个减小，另外一个就会增加），如CRRC的RET结构（那得的中国力量），Infineon的MPT结构；

三、超高可靠性（即高鲁棒特性）：主要是降低EMI，同时需要dv/dt在更宽的范围内可控，主要是通过采用精细沟槽技术，结合使用降低Miller电容的技术，此方面如Fuji的Fin-p结构（最小沟槽间距为0.5μm）。