碳化硅igbt的优势-碳化硅IGBT结构特点及应用详解

碳化(hua)(hua)硅(gui)igbt的(de)优势是(shi)(shi)什么？什么是(shi)(shi)碳化(hua)(hua)硅(gui)？碳化(hua)(hua)硅(gui)是(shi)(shi)用石(shi)英砂(sha)、石(shi)油焦（或(huo)煤焦）、木屑（生产绿色(se)碳化(hua)(hua)硅(gui)时需要加食盐）等原料通过(guo)电阻炉(lu)高温(wen)冶炼而成。碳化(hua)(hua)硅(gui)在(zai)大自然(ran)也存在(zai)罕见的(de)矿物，莫桑石(shi)。碳化(hua)(hua)硅(gui)又称(cheng)碳硅(gui)石(shi)。在(zai)当代C、N、B等非氧化(hua)(hua)物高技术耐火原料中，碳化(hua)(hua)硅(gui)为(wei)(wei)应用最(zui)广泛、最(zui)经济的(de)一种，可以(yi)称(cheng)为(wei)(wei)金钢砂(sha)或(huo)耐火砂(sha)。目前中国工业生产的(de)碳化(hua)(hua)硅(gui)分为(wei)(wei)黑色(se)碳化(hua)(hua)硅(gui)和绿色(se)碳化(hua)(hua)硅(gui)两(liang)种，均为(wei)(wei)六方晶(jing)体，比重为(wei)(wei)3.20～3.25，显微硬度(du)为(wei)(wei)2840～3320kg/mm2。

碳化硅igbt的优势

碳化硅igbt的优势结构特点及应用

碳(tan)化硅(gui)igbt的优势，尽管(guan)碳(tan)化(hua)硅功率(lv)MOS的(de)阻断(duan)电(dian)(dian)压(ya)已能(neng)做到10kV，但(dan)作为一种(zhong)缺(que)乏电(dian)(dian)导调(diao)制的(de)单极型器件，进一步提(ti)高阻断(duan)电(dian)(dian)压(ya)也会面临不可(ke)逾越(yue)的(de)通态(tai)(tai)电(dian)(dian)阻问(wen)题，就像1000V阻断(duan)电(dian)(dian)压(ya)对于硅功率(lv)MOS那样。理论计(ji)算表明(ming)，要做一个(ge)耐压(ya)20kV的(de)碳(tan)化(hua)硅功率(lv)MOS，其n型外延层的(de)厚度(du)需要超过(guo)172μm，相应的(de)漂移(yi)区最(zui)小比(bi)电(dian)(dian)阻会超过(guo)245mΩ·cm2。因(yin)此高压(ya)大电(dian)(dian)流器件(>7kV，>100A)的(de)希望寄托在碳(tan)化(hua)硅BJT上，特别是既(ji)能(neng)利用电(dian)(dian)导调(diao)制效应降(jiang)低(di)通态(tai)(tai)压(ya)降(jiang)又能(neng)利用MOS栅(zha)降(jiang)低(di)开关功耗、提(ti)高工作频率(lv)的(de)碳(tan)化(hua)硅IGBT上。

由于电(dian)导调制效应，碳(tan)(tan)化(hua)硅高(gao)压IGBT的(de)(de)通态比(bi)(bi)电(dian)阻(zu)远比(bi)(bi)碳(tan)(tan)化(hua)硅功(gong)率MOS低(di)，而且在阻(zu)断电(dian)压额定(ding)值(zhi)升高(gao)时(shi)变化(hua)不大(da)。在电(dian)导调制效应充分(fen)发(fa)挥(hui)作用的(de)(de)情况下(xia)，IGBT漂(piao)移区的(de)(de)通态压降只与载流子的(de)(de)双极扩(kuo)散(san)系数和双极寿命有关，而不会随(sui)着导通电(dian)流的(de)(de)升高(gao)而升高(gao)。图1所(suo)示，为碳(tan)(tan)化(hua)硅IGBT与碳(tan)(tan)化(hua)硅功(gong)率MOS在额定(ding)阻(zu)断电(dian)压均设(she)计为20kV时(shi)的(de)(de)理(li)论伏安特(te)性之比(bi)(bi)较，表(biao)现了IGBT十分(fen)明(ming)显的(de)(de)高(gao)压优势。

图(tu)中还可看(kan)到，当工作温(wen)(wen)度(du)(du)发生变(bian)化时，碳化硅高(gao)压(ya)(ya)IGBT的(de)(de)通态压(ya)(ya)降随(sui)着(zhe)结温(wen)(wen)的(de)(de)升高(gao)而(er)降低。这主要是因为碳化硅外延层中额外载流子(zi)的(de)(de)双极寿命会(hui)(hui)随(sui)着(zhe)温(wen)(wen)度(du)(du)的(de)(de)升高(gao)而(er)延长(zhang)，虽然(ran)扩散系数会(hui)(hui)随(sui)着(zhe)温(wen)(wen)度(du)(du)的(de)(de)升高(gao)而(er)有一定缩小，但寿命的(de)(de)更大(da)延长(zhang)最终使双极扩散长(zhang)度(du)(du)增大(da)，从而(er)使通态压(ya)(ya)降降低。这种情(qing)况在n沟道器(qi)件中尤其(qi)明显。

这跟功率MOS的正向压降(jiang)在高温状态(tai)下的较大幅度(du)升高形(xing)成鲜明对照(zhao)。碳化硅(gui)p沟道IGBT因为沟道电阻较大而(er)在相同电流(liu)密(mi)度(du)下比(bi)n沟道IGBT通态(tai)压降(jiang)高一些，但其高低温状态(tai)下的伏(fu)安特性变化不大。从应用的角度(du)看，这无疑也是一种优势。

碳化硅igbt的优势

图1 碳化硅IGBT与(yu)碳化硅功率MOS在(zai)耐压20kV相同条件下的特性比较

由图(tu)1中的(de)等(deng)功(gong)耗曲(qu)线(xian)与(yu)这几种器件的(de)通态(tai)特性曲(qu)线(xian)的(de)交点不难(nan)算出(chu)：对(dui)应于相同(tong)(tong)的(de)功(gong)耗300W/cm2，碳(tan)(tan)化(hua)硅(gui)IGBT与(yu)碳(tan)(tan)化(hua)硅(gui)功(gong)率MOS的(de)通态(tai)电(dian)流之比对(dui)p沟(gou)器件和n沟(gou)器件有所不同(tong)(tong)，在室温下(xia)分(fen)别(bie)是1.5和1.8，在225℃下(xia)则分(fen)别(bie)提高(gao)(gao)到(dao)2.7和3.5，说明高(gao)(gao)压大电(dian)流碳(tan)(tan)化(hua)硅(gui)IGBT更适合于高(gao)(gao)温应用(yong)。

与(yu)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)BJT相比，碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)IGBT因(yin)使用绝缘(yuan)栅而(er)具有(you)很高(gao)的(de)(de)(de)输入(ru)阻(zu)(zu)(zu)抗，其(qi)驱(qu)动(dong)方式和(he)驱(qu)动(dong)电(dian)(dian)路相对比较(jiao)简单(dan)。但是，碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)IGBT研制工作(zuo)(zuo)的(de)(de)(de)困(kun)难也很大。研发初期的(de)(de)(de)主(zhu)要困(kun)难是p型(xing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)因(yin)受主(zhu)杂质(zhi)的(de)(de)(de)电(dian)(dian)离能较(jiao)高(gao)(200meV)而(er)比具有(you)相同(tong)杂质(zhi)浓度(du)的(de)(de)(de)n型(xing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)的(de)(de)(de)载流子密(mi)度(du)低，因(yin)而(er)p沟(gou)道IGBT很难获得(de)低阻(zu)(zu)(zu)的(de)(de)(de)源(yuan)极(ji)接触，而(er)n沟(gou)道IGBT又需要用p型(xing)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)作(zuo)(zuo)衬底(注入(ru)层(ceng))，以至其(qi)衬底电(dian)(dian)阻(zu)(zu)(zu)往(wang)往(wang)比其(qi)电(dian)(dian)压阻(zu)(zu)(zu)断层(ceng)(漂移区)的(de)(de)(de)电(dian)(dian)阻(zu)(zu)(zu)还(hai)高(gao)。由于(yu)这个原因(yin)，对碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)IGBT的(de)(de)(de)研发工作(zuo)(zuo)起步较(jiao)晚(wan)，1999年(nian)才首(shou)见报道。这是一个阻(zu)(zu)(zu)断电(dian)(dian)压仅为790V的(de)(de)(de)p沟(gou)道4H-SIC IGBT，而(er)且通(tong)态(tai)压降很高(gao)，在75 A/cm2电(dian)(dian)流密(mi)度(du)下(xia)即高(gao)达15V。这说明碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)IGBT在阻(zu)(zu)(zu)断电(dian)(dian)压不高(gao)的(de)(de)(de)情况下(xia)相对于(yu)碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)功率MOS来(lai)说并没有(you)什么优势(shi)，其(qi)优越(yue)性只在10000V以上的(de)(de)(de)高(gao)压应(ying)用中才能凸显出来(lai)。

随着材料(liao)制备技(ji)术(shu)和器件(jian)工艺技(ji)术(shu)的(de)进(jin)步，碳化硅IGBT的(de)研(yan)制在2005年(nian)前后(hou)取得(de)重大(da)进(jin)展(zhan)。2005年(nian)报道了(le)世界上第一(yi)个阻(zu)(zu)(zu)断(duan)电压(ya)高(gao)(gao)达10kV的(de)IGBT，这是一(yi)个采用(yong)UMOS做栅(zha)的(de)p沟道4H-SIC器件(jian)，其面积很(hen)小，有源(yuan)区(qu)尺寸为(wei)0.5mm×0.5mm。2006年(nian)，报道了(le)世界上第一(yi)个阻(zu)(zu)(zu)断(duan)电压(ya)达到(dao)5.8kV的(de)平面沟道4H-SIC IGBT，其有源(yuan)区(qu)面积增大(da)到(dao)4.5mm2，但(dan)室(shi)温下(xia)的(de)通态(tai)比电阻(zu)(zu)(zu)高(gao)(gao)达570mΩ·cm2(栅(zha)压(ya)-30V)。2007年(nian)，他(ta)们的(de)这项(xiang)研(yan)究取得(de)重大(da)突破，具有相(xiang)同结构但(dan)元(yuan)胞(bao)宽度和漂移区(qu)宽度都增大(da)一(yi)倍的(de)器件(jian)阻(zu)(zu)(zu)断(duan)电压(ya)提高(gao)(gao)到(dao)7.5kV，而室(shi)温下(xia)的(de)通态(tai)比电阻(zu)(zu)(zu)降(jiang)低到(dao)26mΩ·cm2(栅(zha)压(ya)-16V)。

值(zhi)得(de)注意的(de)(de)(de)(de)是(shi)(shi)这些器件都是(shi)(shi)p沟(gou)(gou)道，其(qi)元胞结构如(ru)图2所(suo)示。开发(fa)碳化硅IGBT之所(suo)以顷向于采(cai)用p沟(gou)(gou)道形式，首先是(shi)(shi)因(yin)为(wei)p型(xing)(xing)漂(piao)(piao)移区(qu)的(de)(de)(de)(de)电(dian)导(dao)调制(zhi)效(xiao)果明(ming)显(xian)优于n型(xing)(xing)漂(piao)(piao)移区(qu)，因(yin)而容(rong)易(yi)降低通态压降。参(can)见图2可知(zhi)，p沟(gou)(gou)IGBT的(de)(de)(de)(de)主发(fa)射区(qu)是(shi)(shi)n+衬底(di)，而n沟(gou)(gou)IGBT的(de)(de)(de)(de)主发(fa)射区(qu)是(shi)(shi)p+衬底(di)，在掺(chan)杂(za)浓度相等的(de)(de)(de)(de)情况下，N+发(fa)射区(qu)的(de)(de)(de)(de)注入效(xiao)率显(xian)然(ran)要高(gao)得(de)多(duo)。当然(ran)，p型(xing)(xing)漂(piao)(piao)移区(qu)的(de)(de)(de)(de)高(gao)效(xiao)电(dian)导(dao)调制(zhi)也离不开其(qi)少(shao)子寿命的(de)(de)(de)(de)提高(gao)。从应用的(de)(de)(de)(de)角度看(kan)，p沟(gou)(gou)IGBT还有两(liang)个(ge)优势，一(yi)是(shi)(shi)其(qi)安全工作区(qu)面(mian)积大(da)，这是(shi)(shi)因(yin)为(wei)4H-SIC中空穴比(bi)电(dian)子的(de)(de)(de)(de)碰撞电(dian)离系(xi)数大(da)，npn晶体(ti)管(guan)(guan)要比(bi)pnp晶体(ti)管(guan)(guan)耐冲击；二是(shi)(shi)因(yin)为(wei)p沟(gou)(gou)IGBT的(de)(de)(de)(de)沟(gou)(gou)道体(ti)是(shi)(shi)n+阱而n沟(gou)(gou)IGBT的(de)(de)(de)(de)沟(gou)(gou)道体(ti)是(shi)(shi)p+阱，由(you)于n+阱比(bi)p+阱的(de)(de)(de)(de)薄层电(dian)阻低得(de)多(duo)，因(yin)而p沟(gou)(gou)IGBT的(de)(de)(de)(de)寄生(sheng)pnpn晶闸管(guan)(guan)要比(bi)n沟(gou)(gou)IGBT的(de)(de)(de)(de)寄生(sheng)npnp晶闸管(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)擎住电(dian)流(liu)密度高(gao)得(de)多(duo)，p沟(gou)(gou)IGBT的(de)(de)(de)(de)寄生(sheng)晶闸管(guan)(guan)不容(rong)易(yi)起作用。

当然，碳(tan)化(hua)硅(gui)n沟道(dao)IGBT也有其(qi)优点，特别是(shi)在(zai)碳(tan)化(hua)硅(gui)材料(liao)的(de)额外载(zai)流(liu)子(zi)寿(shou)命(ming)还很低(di)的(de)时(shi)(shi)候(目前一般不到0.5μs)。寿(shou)命(ming)低(di)，注(zhu)入载(zai)流(liu)子(zi)的(de)电(dian)导(dao)调制效果就(jiu)不会很明显。在(zai)这种情况下，n型碳(tan)化(hua)硅(gui)的(de)低(di)阻(zu)优势对降低(di)IGBT的(de)通态(tai)比(bi)电(dian)阻(zu)就(jiu)很关(guan)键了。同时(shi)(shi)，n沟道(dao)IGBT因为注(zhu)入效率低(di)，导(dao)通时(shi)(shi)储存在(zai)漂移区(qu)中的(de)额外空(kong)穴的(de)密度(du)也低(di)，其(qi)关(guan)断时(shi)(shi)间也就(jiu)明显短于p沟道(dao)IGBT。

碳化硅igbt的优势