來源：機車電傳動  第5期
       作者：張金平、肖 翔、張 波（電子科技大學 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室）

隨著絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）技術的發展，目前主流的場截止型結構越來越接近其理論極限。超結被譽為“功率 MOS 的里程碑”，近年來也被引入 IGBT 以進一步提升器件性能。超結 IGBT 結合了場截止型 IGBT 和超結結構的優點，可在更短漂移區長度下實現高耐壓和低損耗。然而，作為一種雙極型器件，超結IGBT 具有與超結 MOSFET 不同的工作原理。文章從超結原理出發，揭示了超結 IGBT 的結構特點和工作原理，并對超結 IGBT 的最新研究進展進行了梳理和概括。

引言

作為核心的功率開關器件之一，絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）結合了金屬氧化物半導體場效應晶體管（metal-oxide semiconductor field-effect transistor, MOSFET）和雙極結型晶體管（BJT）的優點，已在新能源汽車、智能電網、軌道交通、工業控制、通信電源、消費電子等領域的中高功率電力電子裝置中獲得廣泛的應用。

自 IGBT 問世以來，通過不斷的技術創新，器件結構和工藝技術獲得了長足的進步，產品已經歷了7代的發展。通過采用溝槽柵、場截止（FS）、輕穿通（LPT）、軟穿通（SPT）、載流子存儲（CS）層 、浮空 P 型區、虛擬柵、微溝槽柵（MPT）、薄片加工 、背面 H 離子注入等產業化技術，器件的可靠性、應用頻率和功率損耗等均有了很大提升。近年，隨著技術的進一步發展，各種器件新結構（如發射極嵌入（RET）結構、分裂柵結構、自偏置 PMOS結構 、二極管偏置浮空 P 型區結構 等）也相繼被提出，提升了器件的性能和可靠性，IGBT 結構和技術越來越接近其理論極限。通過較高摻雜濃度 N 柱、P 柱的相互耗盡和電荷補償作用，超結（SJ）結構打破了單一載流子器件的“硅極限”，在較短的漂移區長度下可實現高耐壓，被譽為“功率 MOS 的里程碑”，已在功率 MOSFET 領域獲得了極大的成功 。具有超結漂移區的超結 IGBT 結合了 FS-IGBT 和超結的優點，可實現高的耐壓和低的損耗，為 IGBT 性能的進一步提升提供了新的思路。portant; overflow-wrap: break-word !important;">加入IGTB行業portant; overflow-wrap: break-word !important;">交流群，加VX：tuoke08。然而，作為一種雙極型器件，超結 IGBT 具有與超結 MOSFET 不一樣的結構特點和工作原理，本文從超結原理出發，揭示超結IGBT 的結構特點和工作機制，并對超結 IGBT 最新研究進展進行梳理和概括。

1 超結原理及傳統超結 IGBT 的局限

超結結構示意圖如圖 1(a) 所示，在垂直耐壓方向周期性排列的 N 柱和 P 柱，替代了傳統結構中均勻摻雜的 N 型漂移區。當器件承受高壓時，N 柱和 P 柱之間的耗盡層在水平方向擴展；與傳統的器件不同，N柱和 P 柱的相互耗盡會產生橫向電場，使得電場分布變得更為平坦，改善了電場尖峰現象，如圖1(b)所示。

為確保擊穿時 N 柱和 P 柱全耗盡，并能實現最佳電荷補償，二者的電荷與臨界電場之間需要滿足以下的關系式：

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式中：Q_n, Q_p 分別為 N 柱和 P 柱的電荷；ε_s 為相對介電常數；E_c 為臨界電場；q 為電荷量；N_D 和 N_A 分別為N 柱和 P 柱摻雜濃度；W_n 和 W_p 分別為 N 柱和 P 柱寬度。

在電荷平衡的狀態下，N 柱區電離正電荷發出的電場線幾乎全部終止于臨近 P 柱區，超結在耐壓方向上可粗略視為“本征層”，此時擊穿電壓為

BV = E_cT (3)

式中：BV 為擊穿電壓；T 為 N 柱或 P 柱的厚度。

據式 (3) 可知，N 柱和 P 柱的摻雜濃度可以比傳統器件漂移區的摻雜濃度提高 1~2 個數量級，極大地降低了器件比導通電阻 R_on,sp，突破了傳統 R_on,sp ∝ BV^2.5 的“硅極限”關系，使其降低為 1.32 次方 。本團隊章文通等人提出的超結非全耗盡 NFD 耐壓模式，可使比導通電阻進一步降低，實現了 R_on,sp ∝ BV^1.03 的準線性關系。目前，超結 MOSFET 的產品主要覆蓋 600~900 V 應用范圍。

通過將圖 2(a) 所示的超結 MOSFET 背面的 N+ 襯底替換為 N 型 FS 層和 P 型集電區，獲得了如圖 2(b)所示的超結 IGBT 結構。在 2000 年，M. M. De Souza等人首次提出了一種平面型 Cool IBT 結構 [27]，由此揭開了對超結 IGBT 研究的序幕。相比傳統的 FS-IGBT，超結 IGBT 可降低正向導通壓降 V_ce(on)，并可實現 V_ce(on)和關斷損耗 E_off 的更優折中。在相同的電壓等級 1 200V 下，超結 IGBT 的漂移區長度可比 FS-IGBT 減小10%~20%；在關斷過程中，N 柱和 P 柱的相互耗盡可加速載流子的抽取，進一步降低器件的關斷損耗。

2013 年，ST 公司利用多次外延的工藝首次制造出了平面型超結 IGBT，其結構如圖 3 所示。試驗結果表明，在 100 A/cm2的電流密度下，超結 PT-IGBT 的導通壓降相比傳統平面 PT-IGBT 降低了 25%，而且具有更低的關斷損耗和更短的米勒平臺。

然而，作為雙極型器件，超結 IGBT 并不能完全照搬超結 MOSFET 的設計思路。在 2003 年，ABB 公司的 Friedhelm D. Bauer 首次詳細對比了超結 MOSFET和 IGBT 結構差異帶來的特性變化。傳統超結 IGBT沿用了超結 MOSFET 中 P 柱區與 P 型基區直接相連的結構特點，導致對于不同摻雜濃度的 N 柱和 P 柱，超結 IGBT 在正向導通時，導電機制會在“雙極 - 單極”之間轉換 ，如圖 4 所示。由于 P 柱區提供了直接連接 P 型基區的空穴抽取通道，影響了正向導通下傳統超結 IGBT 的電導調制水平，使具有中等摻雜 N 柱區和P柱區濃度的超結IGBT表現出較大的Vce(on)。因此，如何進一步提高超結 IGBT 漂移區的電導調制水平和優化載流子濃度分布，是實現高性能超結 IGBT 亟需解決的問題。

具有浮空 P 柱的 SJ-IGBT 結構

為了抑制與 P 型基區直接相連的 P 柱區在導通狀態下對漂移區（特別是中等摻雜濃度 N 柱區和 P 柱區）空穴的抽取，增強漂移區的電導調制，可采用具有浮空 P 柱的 SJ-IGBT 結構，通過將 P 柱和 P 型基區分離，抑制了空穴從 P 柱向 P 型基區直接流出。基于此，在2010 年，英國劍橋大學 M.Antoniou 等人提出了如圖5(a)所示的具有浮空P柱的溝槽柵半超結IGBT結構。

該結構在較寬的溝槽柵極下方形成 P 柱區，使 P 柱與P 型基區不相連，進而增強了電導調制作用。在 2011年，M.Antoniou 等人提出了如圖 5(b) 所示的具有 N 型注入層（N-injector）的“SPT+ SJ-IGBT”新結構 。該結構在 N 柱和 P 柱上方引入較高濃度的 N 型注入層，將 P 柱與 P 型基區隔離開，阻止了空穴從發射極直接流出，其較高濃度的 N 型注入層作為有效的空穴勢壘，進一步提高了發射極一側的載流子濃度，獲得了更好的折中關系。值得注意的是，與具有 CS 層的傳統平面型 IGBT 結構相似，文中 N 型注入層（N-injector）選取的濃度較低，當其濃度超過一定范圍后，器件會發生提前擊穿，導致耐壓降低。

電子科技大學相關團隊早在 2010 年就開展了對超結 IGBT 的研究 ；在 2014 年作者等人提出了在P 柱和 P 型基區間引入埋氧化層，提出了如圖 6 所示的溝槽柵 BO-SJ IGBT 結構 。該結構采用氧化層作為空穴阻擋層和隔離層，顯著提高了發射極一側的空穴濃度，進而降低了器件的導通壓降，特別是 N 柱區和 P 柱區具有中等摻雜濃度下的導通壓降，并改善了“V_ce(on)-E_off”折中關系，如圖 7 所示。

portant;">在 2016 年，Kwang-Hoon Oh 等人公布了 650 V 平面型超結 IGBT 的試驗結果，展示了超結 FS-IGBT和超結 NPT-IGBT 結構的優異性能，在 250 A/cm2的電流密度下，SJ FS-IGBT 導通壓降的典型值降低至 1.4 V，與傳統 FS-IGBT 相比優勢明顯；同時，在不同柵壓下進行了短路測試，結果表明，超結 NPT-IGBT 具有更好的短路能力。其中，導通特性和“關斷下降時間 -導通壓降”的折中關系如圖 8 所示。在 2019 年國內華虹集團也報道了 SJ FS-IGBT 的試驗結果，展示了很好的器件性能 。

具有 P 柱連接可變的 SJ-IGBT 結構

具有浮空 P 柱的 SJ-IGBT 結構增強了器件導通時的電導調制效應，改善了正向導通壓降和 “V_ce(on)-E_off”的折中關系，但是浮空的 P 柱區也影響了器件關斷時對空穴的抽取。為了進一步提升 SJ-IGBT 的性能，業界相繼提出了多種 P 柱連接可變的 SJ-IGBT 結構。在2018 年，四川大學黃銘敏等人提出了一類具有載流子注入增強結構的超結 IGBT（CSE-SJ-IGBT）結構，如圖 9 所示。通過將 P 柱與肖特基二極管（或多晶硅二極管）串聯，利用二極管較高的開啟壓降提高空穴的費米勢，形成空穴勢壘，增強了正向導通時超結漂移區的電導調制，進而降低了器件的正向導通壓降。

在器件關斷時，隨著集電極電壓的增加，二極管正向導通，空穴通過 P 柱和二極管形成的路徑流出發射極，從而加快了空穴抽取速度，降低了關斷損耗。

在 2019 年，電子科技大學黃俊等人將應用于 FS IGBT 中的自偏置 PMOS 結構應用到 SJ-IGBT 中，提出了如圖 10 所示的具有自偏置 PMOS 的 SJ-IGBT 結構 。結構中較高摻雜濃度的 N-base 區在器件導通時作為空穴勢壘，阻擋空穴流出。關斷時隨著集電極電壓的增高，當 A 處的電勢升高至超過 PMOS 的閾值電壓時，PMOS 自動開啟，為空穴提供額外的抽取通道，加快了電流的關斷，進而降低了關斷損耗。

在 2021 年，電子科技大學魏杰等人在浮空 P 柱SJ-IGBT 結構（圖 5(a)）的基礎上做了進一步的改進，提出了如圖 11 所示的 SAHE-SJ-IGBT 結構。SAHESJ-IGBT 將柵極一分為二，中間為輕摻雜 P 型區，導通時輕摻雜 P 型區被柵電壓耗盡，并進一步反型形成空穴勢壘，阻止空穴流出；器件關斷時，輕摻雜 P 型區變為中性區，P 柱直接與發射極連接，形成正常的空穴通道，加快了空穴的抽取，降低了關斷損耗，進而改善了折中關系。

在 2020 年，香港科技大學魏進等人引入額外的電極偏置，提出了如圖 12 所示的 DG-SJ-IGBT（Dual Gate-SJ-IGBT）結構 [42]。DG-SJ-IGBT 在浮空 P 柱結構的基礎上引入獨立的溝槽電極 AG，當器件關斷時，AG 連接 -15 V 電壓，在 P 柱上方的 N 型區域形成空穴反型層，從而形成與發射極連接的空穴溝道，加快了空穴的抽取，而當器件處于導通狀態時，AG 接 15V 電壓，此時 P 柱上方的 N 型區域形成電子的積累層，P 柱處于浮空狀態。這樣在不影響導通特性的條件下，DG-SJ-IGBT 的關斷損耗降低。因此，與浮空 P 柱結構相比，其折中關系更優，但是雙柵結構的引入也增加了柵極控制的難度。

逆導型、逆阻型和雙向 SJ-IGBT 結構

在實際電路應用中，IGBT 單獨工作往往難以完成所需的功能。在 H 橋等拓撲應用中，IGBT 兩端需要與續流二極管（FWD）反并聯使用；在矩陣變換器中，IGBT 需要與二極管串聯以實現反向阻斷功能，并進一步實現雙向開關功能。然而，與二極管的串聯或并聯增加了器件封裝后的面積和引線數量，不利于器件功率密度的進一步提升，同時增加的引線數量也會影響器件的可靠性。為了實現更高的集成度，業界相繼提出了具有逆導（RC）、逆阻（RB）和雙向功能的IGBT 器件。近年來，隨著 SJ-IGBT 技術的發展，逆導型、逆阻型和雙向 SJ-IGBT 結構也相繼被提出。

雖然逆導 IGBT 減小了芯片面積，更利于集成，但 N 型集電極的引入使得器件在導通時存在 snapback效應，大量的研究主要從陽極工程 [43-44] 入手改善。超結 RC-IGBT 最初在發射極（陰極）附近引入超結結構，如圖 13 所示，結果表明超結的引入可以改善snapback 效應，但效果不理想。在 2017 年，M.Antoniou等人提出在陽極側引入超結 [46]，相比于在陰極側引入超結，該結構無需考慮 P 柱與陰極的位置關系。仿真結果表明，陽極超結 RC-IGBT 結構可很好地抑制 RC IGBT 的 snapback 效應，而且當超結延伸整個漂移區時，snapback 效應基本被消除。

在 2019 年，E. M. Findlay 等人提出 Dual implant SJ RC-IGBT 結構 [47]，如圖 14 所示。Dual implant SJ RC-IGBT 包含 2 部分超結結構，一部分靠近陰極，另一部分靠近陽極，靠近陽極一側的超結可以不與靠近陰極一側的超結對齊，同時可以利用 2 個硅片分別制作正面和背面的超結，再通過晶圓鍵合工藝將硅片鍵合，彌補了目前超結工藝上的限制。該結構很好地抑制 snapback 效應，而且當 2 個超結間距為 0 時，snapback 效應抑制效果最好。

在 2017 年，文獻 [48-49] 提出了一種具有混合導電模式的溝槽隔離 SJ RC-IGBT 結構（見圖 15(a)），其結構在單元胞內完全消除了 snapback 效應，并具有SJ MOSFET 和 SJ IGBT 混合導電的功能，其 I-V 特性曲線如圖 15(b) 所示。

在 2016 年，文獻 [50] 提出一種 SJ RB-IGBT，具體結構如圖 16 所示。當這種結構的 IGBT 反向阻斷時，利用 SCT 電極輔助耗盡高濃度的 N1 層，獲得超過1 200 V 的反向阻斷電壓，同時高濃度的柱區摻雜降低了器件的導通壓降，實現了更好的折中關系。

在 2014 年，文獻 [51-52] 提出了一種具有夾層超結結構的高性能雙向 IGBT（SSJ-BIGBT），具體如圖17 所示。該結構將超結夾在 2 個對稱的 N 緩沖層之間，整個結構垂直對稱，N 緩沖層除了截止電場外，還可作為 CS 層阻擋空穴流出。相比于傳統 NPT 結構，在相同的雙向阻斷電壓下，可顯著縮短漂移區厚度，進一步改善了器件的折中關系。

結語

隨著 IGBT 技術的發展，傳統的場截止型結構也越來越接近其理論極限。超結器件憑借其高耐壓和低損耗的優點獲得了功率半導體行業的廣泛關注，超結MOSFET 的成功商業化應用也為 IGBT 的發展提供了很好的借鑒，為 IGBT 性能的進一步提升提供了新的思路。然而，超結 IGBT 作為雙極型器件，其特性和工作原理與超結 MOSFET 相比有較大的差別，不能直接完全采用超結 MOSFET 的結構，業界已對此開展了較為深入的研究。本文在超結原理分析的基礎上，揭示了超結 IGBT 的結構特點和工作原理，并對超結 IGBT 的最新研究進展進行了梳理和概括。隨著超結 IGBT 的深入研究和工藝水平的不斷發展，超結 IGBT 的性能和可靠性也必將得到進一步的提升，超結 IGBT 的廣泛使用也將很快成為現實。

（來源：半導體在線）