一种低功耗4H-SiC IGBT的仿真研究

苏芳文，毛鸿凯，隋金池，林 茂，张 飞

(杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018)

第三代半导体材料4H-SiC由于具有高临界击穿电场、高电子饱和漂移速度、优异的热导率和抗辐照能力等优点，已成为当今的研究热点[1-7]，被视作功率器件的理想材料。作为功率半导体器件的重要组成部分，4H-SiC绝缘栅双极晶体管(4H-SiC IGBT)也受到越来越多的关注。

4H-SiC具有10倍于传统Si材料的临界击穿电场，应此较为适合应用于15 kV以上的超高压领域，已有文献对相关研究团队的工作进行了说明[8-10]。另外，相关研究指出，N-漂移区厚度和掺杂浓度与IGBT击穿电压关系密切[11-13]；优化IGBT结构参数也并非唯一提高器件性能的方式，设计新型终端结构[14-15]及改良SiC制造工艺[16-17]同样能够起到提升器件性能的作用。

对于4H-SiC IGBT来说，其优异的电导调制效应使器件在正向导通时可获得较低的正向压降，这使得IGBT器件在超高压领域相比于其他功率器件更具有优势[18]。但与此同时，N-漂移区中过高的载流子密度也拖慢了4H-SiC IGBT关断时间。拖尾电流的存在使得4H-SiC IGBT关断损耗不容忽视，平衡正向导通特性与关断损耗成已为设计4H-SiC IGBT必须要考虑的问题。

为改善4H-SiC IGBT关断时间过长以及关断能量损耗过大的问题，本文提出一种新型4H-SiC沟槽栅绝缘栅双极晶体管(4H-SiC C-TIGBT)结构。与传统4H-SiC沟槽栅绝缘栅双极晶体管(4H-SiC C-TIGBT)相比，在N+缓冲层中引入相互垂直的P区与N区，所构成的PN结在4H-SiC N-TIGBT关断过程中处于反向偏置状态。本文利用其内部电场加快N-漂移区中载流子的抽取，提升器件关断速度并降低关断能量损耗。同时，反向偏置PN结电场优化了N-漂移区内部电场分布，对提升器件击穿电压起到了帮助作用。

1 器件结构及参数

1.1 器件结构

图1展示了所设计的4H-SiC N-TIGBT以及对比参照的4H-SiC C-TIGBT半元胞结构。从图1中可以看出，两者仅在N+缓冲层区域的设计上存在不同。4H-SiC C-TIGBT和4H-SiC N-TIGBT的详细结构参数设置如表1所示。器件中电流扩展层起到了将电流均匀分布的作用；栅极下方的P+屏蔽层起到了保护沟槽栅底部的作用，有利于SiC材料充分发挥耐高压的优势。考虑到器件正导通向特性与关断特性存在折中关系，将N-漂移区中载流子寿命设置为1 μs，N+缓冲层中载流子寿命设置为0.1 μs。另外，为满足器件在15 kV以上的超高压领域安全工作，N-漂移区厚度参数被设置为160 μm。

(a)

结合SiC材料特性与功率半导体器件制造工艺条件，4H-SiC N-TIGBT工艺流程可以由以下几个步骤实现：(1)在N型4H-SiC基片上外延生长过渡层，并在过渡层上依次外延生长N-漂移层和N+缓冲层；(2)N+缓冲层进行多步离子注入后得到P区和N区；(3)通过外延工艺，在N+缓冲层上生长P型外延层，离子注入并快速退火后得到P+集电极；(4)去除过渡层并翻转SiC基片，利用成熟UMOSFET工艺形成沟槽栅MOS结构；(5)淀积金属，形成良好欧姆接触的电极。

表1 C-TIGBT与N-TIGBT结构参数Table 1. Structural parameters of C-TIGBT and N-TIGBT

1.2 4H-SiC N-TIGBT工作原理

4H-SiC N-TIGBT的设计初衷在于改善4H-SiC C-TIGBT关断能量耗过大的问题，同时尽量不影响器件其它特性。当4H-SiC N-TIGBT正向导通时，电子经由沟槽栅附近导电沟道流向N-漂移区，与此同时，集电极的正电压促使P+集电区向N-漂移区注入大量空穴，引发电导调制效应，使4H-SiC N-TIGBT同时具有低正向压降与高电流密度。当4H-SiC N-TIGBT正向耐压时，N+缓冲层中由P区与N区所构成的PN结反向偏置。同样，由P-体区与N-漂移区构成的PN结也处于反向偏置状态，4H-SiC N-TIGBT正向耐压由两组反向偏置的PN结共同承担，进而提升器件击穿电压。4H-SiC N-TIGBT关断过程中，N+缓冲层中反向偏置的PN结会产生一个反向的电场，这个额外的电场会加速N-漂移区中存储的电子扫除到集电极区域，加快4H-SiC N-TIGBT关断速度，进而改善器件关断能量损耗。

2 电学特性仿真与分析

电学特性的好坏是衡量功率半导体器件性能的重要指标。对于4H-SiC N-TIGBT来说，正向导通特性用来衡量器件正常工作时的导电性；耐压特性用来表征器件可承受的最高电压；关断特性可以指示器件关断能量损耗的大小。本文使用Silvaco TCAD仿真软件对4H-SiC N-TIGBT进行仿真，仿真使用的物理模型基于之前的研究，包括复合模型、能带变窄模型、平行电场依赖模型、浓度迁移率模型、碰撞电离模型。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材料参数如表2所示。

表2 4H-SiC材料仿真参数Table 2. Simulation parameters of 4H-SiC materials

2.1 正向导通特性

电导调制效应的存在使IGBT相较于其他功率半导体器件正向压降更低。图2中对比了4H-SiC C-TIGBT与4H-SiC N-TIGBT正向导通时集电极电压与集电极电流密度。从图中可以看出，相较于4H-SiC C-TIGBT，4H-SiC N-TIGBT的正向压降略有升高，在30 A·cm-2的集电极电流密度下[19]，正向导通压降达到了6.89 V，增大了0.3 V。这可以解释为，4H-SiC N-TIGBT在N+缓冲层中额外引入了一个更高浓度的N区。相比于4H-SiC C-TIGBT正向导通时，P+集电极注入的空穴会同时被N+缓冲层和更高浓度N区中的电子复合一部分，造成P+集电极注入到N-漂移区中空穴浓度下降，减弱了电导调制效应，起到降低降低器件正向电流密度的作用，使得4H-SiC N-TIGBT的正向压降相比于4H-SiC C-TIGBT有所提高。

图2 C-TIGBT和N-TIGBT正向导通特性对比Figure 2. Comparison of forward conduction characteristics of C-TIGBT and N-TIGBT

图3将4H-SiC C-TIGBT与4H-SiC N-TIGBT N-漂移区中空穴电流密度竖直分布进行了对比，截线位置位于X=1 μm处。由图可知，4H-SiC N-TIGBT N-漂移区中空穴电流密度略低于4H-SiC C-TIGBT，这证实了之前的推测。

图3 N-漂移区中的空穴电流密度分布对比 Figure 3. Comparison of hole current density distribution in the N-drift region

2.2 正向耐压特性

图4展示了4H-SiC C-TIGBT与4H-SiC N-TIGBT正向耐压状态下沟槽栅拐角附近的二维电场分布，器件集电极所施加电压分别为15 kV和16 kV。根据器件内部最高电场是否达到SiC材料临界击穿电场3 MV·cm-1来判断器件是否击穿。由于沟槽栅IGBT正向耐压时，电场会在沟槽栅拐角处聚集，造成该位置提前击穿，因此该位置处电场分布可作为指示器件是否击穿的判据。沟槽栅拐角附近电场典型值已在图4中被标示出来，由图可知，4H-SiC C-TIGBT和4H-SiC N-TIGBT均处于临界击穿状态，但此时4H-SiC N-TIGBT所承担的正向耐压要高于4H-SiC C-TIGBT。这可以解释为，4H-SiC N-TIGBT中更高浓度P区和N区的引入提升了N+缓冲层整体施主浓度，这对提升器件击穿电压提供了帮助；另一方面，反向偏置PN结提供的反向电场优化了N-漂移区中电场分布，增加了器件正向耐压。综合以上分析，N+缓冲层中插入P区与N区对器件击穿电压提升起到了积极影响。

(a)

2.3 关断特性

电导调制效应改善4H-SiC N-TIGBT正向导通特性的同时，也带来了关断时间过长的问题，限制了器件在高频领域的应用。这主要归因于4H-SiC N-TIGBT关断时拖尾电流持续时间过长。因此，优化器件关断特性可从加快器件N-漂移区中存储载流子提取速度的方向展开研究，通过加快N-漂移区中载流子提取速度来降低器件关断能量损耗。

为了测试4H-SiC N-TIGBT的关断能量损耗，本研究搭建了图5所示的测试电路[20]。其中电压源Vg产生作用于栅极且频率为5 kHz的方波电压，其变化范围为-5～20 V，占空比为50%；栅极电阻Rg设定值为10 Ω；并联在集电极与发射极的二极管D可看做理想元器件，器件横截面积为0.021 cm2，用来模拟通过器件100 A·cm-2的电流密度；总线电压Vbus值设置为击穿电压的60%；电流源Iout用来提供恒定的电流。

图5 关断特性测试电路图Figure 5. Test circuit for turn-off characteristics

图6展示了4H-SiC C-TIGBT与4H-SiC N-TIGBT关断过程中集电极电压与集电极电流密度随时间的变化情况，为了在同等条件下分析器件关断特性，总线电压设置为9 000 V。从集电极电压的变化情况可以看出，4H-SiC N-TIGBT电压上升速度更快，最先达到总线电压值，并率先开始进入电流下降阶段。集电极电流密度的的对比情况则更加明显，4H-SiC N-TIGBT的电流下降速度更快，说明在4H-SiC N-TIGBT中，N-漂移区中过剩载流子的提取速度更快。综合集电极电压与集电极电流密度的变化情况可知，4H-SiC N-TIGBT拥有更快的关断速度。计算结果显示，相比4H-SiC C-TIGBT，4H-SiC N-TIGBT关断能量损耗为4.63 mJ，关断能量损耗降低了40.41%。

图6 C-TIGBT和N-TIGBT关断特性对比Figure 6. Comparison of turn-off performance between C-TIGBT and N-TIGBT

为了进一步分析4H-SiC N-TIGBT关断特性，对4H-SiC C-TIGBT和4H-SiC N-TIGBT关断过程中N-漂移区中电子电流密度与复合速率进行了提取，提取位置为集电极上方6 μm横截线处，结果如图7所示。对于电子电流密度来说，4H-SiC N-TIGBT相较于4H-SiC C-TIGBT明显更低，这表明4H-SiC N-TIGBT存在额外提取N-漂移区中过剩载流子方式。这可以解释为，器件关断时，N+缓冲层中P区与N区构成的PN结处于反偏状态，空间电荷区中电场会加速N-漂移区中电子扫除到P+集电极，加快了N-漂移区中电子的提取，缩短了4H-SiC N-TIGBT的关断时间。对比图7中N-漂移区中载流子的复合速率可以看出，4H-SiC C-TIGBT明显更高，这也从另一个方面说明4H-SiC C-TIGBT N-漂移区中过剩载流子去除方式主要通过复合来实现。经过对比，4H-SiC N-TIGBT在关断能量损耗方面更有优势。

图7 电子电流密度与复合速率对比Figure 7. Comparison of electron current density and recombination rate

3 结束语

本文在4H-SiC C-TIGBT基础上，设计并仿真了一种改善关断能量损耗和正向耐压的4H-SiC N-TIGBT结构。Silvaco TCAD仿真结果显示，4H-SiC N-TIGBT在正向导通特性损失很小的情况下提升了关断速度。器件通过在N+缓冲层中引入两组高掺杂浓度的P区与N区，为器件正向耐压时提供反向偏置电场，优化了4H-SiC N-TIGBT正向耐压特性。仿真结果显示，击穿电压相比正向耐压为15 kV的4H-SiC C-TIGBT提升了1 kV；在关断能量损耗方面，N+缓冲层中引入的反向偏置PN能提供加速N-漂移区中过剩载流子抽取到集电极方向的电场，提升了载流子提取速度，降低了关断能量损耗。仿真结果显示，4H-SiC N-TIGBT关断能量损耗低至4.63 mJ，相比4H-SiC C-TIGBT降低了40.41%。