碳化硅IGBT結構特點及應用優勢詳解

碳化硅igbt的優勢是什么？什么是碳化硅？碳化硅是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生產綠色碳化硅時需要加食鹽）等原料通過電阻爐高溫冶煉而成。碳化硅在大自然也存在罕見的礦物，莫桑石。 碳化硅又稱碳硅石。在當代C、N、B等非氧化物高技術耐火原料中，碳化硅為應用最廣泛、最經濟的一種，可以稱為金鋼砂或耐火砂。 目前中國工業生產的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種，均為六方晶體，比重為3.20～3.25，顯微硬度為2840～3320kg/mm2。

碳化硅igbt的優勢結構特點及應用

碳化硅igbt的優勢，盡管碳化硅功率MOS的阻斷電壓已能做到10kV，但作為一種缺乏電導調制的單極型器件，進一步提高阻斷電壓也會面臨不可逾越的通態電阻問題，就像1000V阻斷電壓對于硅功率MOS那樣。理論計算表明，要做一個耐壓20kV的碳化硅功率MOS，其n型外延層的厚度需要超過172μm，相應的漂移區最小比電阻會超過245mΩ·cm2。因此高壓大電流器件(>7kV，>100A)的希望寄托在碳化硅BJT上，特別是既能利用電導調制效應降低通態壓降又能利用MOS柵降低開關功耗、提高工作頻率的碳化硅IGBT上。

由于電導調制效應，碳化硅高壓IGBT的通態比電阻遠比碳化硅功率MOS低，而且在阻斷電壓額定值升高時變化不大。在電導調制效應充分發揮作用的情況下，IGBT漂移區的通態壓降只與載流子的雙極擴散系數和雙極壽命有關，而不會隨著導通電流的升高而升高。圖1所示，為碳化硅IGBT與碳化硅功率MOS在額定阻斷電壓均設計為20kV時的理論伏安特性之比較，表現了IGBT十分明顯的高壓優勢。

圖中還可看到，當工作溫度發生變化時，碳化硅高壓IGBT的通態壓降隨著結溫的升高而降低。這主要是因為碳化硅外延層中額外載流子的雙極壽命會隨著溫度的升高而延長，雖然擴散系數會隨著溫度的升高而有一定縮小，但壽命的更大延長最終使雙極擴散長度增大，從而使通態壓降降低。這種情況在n溝道器件中尤其明顯。

這跟功率MOS的正向壓降在高溫狀態下的較大幅度升高形成鮮明對照。碳化硅p溝道IGBT因為溝道電阻較大而在相同電流密度下比n溝道IGBT通態壓降高一些，但其高低溫狀態下的伏安特性變化不大。從應用的角度看，這無疑也是一種優勢。

圖1 碳化硅IGBT與碳化硅功率MOS在耐壓20kV相同條件下的特性比較

由圖1中的等功耗曲線與這幾種器件的通態特性曲線的交點不難算出：對應于相同的功耗300W/cm2，碳化硅IGBT與碳化硅功率MOS的通態電流之比對p溝器件和n溝器件有所不同，在室溫下分別是1.5和1.8，在225℃下則分別提高到2.7和3.5，說明高壓大電流碳化硅IGBT更適合于高溫應用。

與碳化硅BJT相比，碳化硅IGBT因使用絕緣柵而具有很高的輸入阻抗，其驅動方式和驅動電路相對比較簡單。但是，碳化硅IGBT研制工作的困難也很大。研發初期的主要困難是p型碳化硅因受主雜質的電離能較高(200meV)而比具有相同雜質濃度的n型碳化硅的載流子密度低，因而p溝道IGBT很難獲得低阻的源極接觸，而n溝道IGBT又需要用p型碳化硅作襯底(注入層)，以至其襯底電阻往往比其電壓阻斷層(漂移區)的電阻還高。由于這個原因，對碳化硅IGBT的研發工作起步較晚，1999年才首見報道。這是一個阻斷電壓僅為790V的p溝道4H-SIC IGBT，而且通態壓降很高，在75 A/cm2電流密度下即高達15V。這說明碳化硅IGBT在阻斷電壓不高的情況下相對于碳化硅功率MOS來說并沒有什么優勢，其優越性只在10000V以上的高壓應用中才能凸顯出來。

隨著材料制備技術和器件工藝技術的進步，碳化硅IGBT的研制在2005年前后取得重大進展。2005年報道了世界上第一個阻斷電壓高達10kV的IGBT，這是一個采用UMOS做柵的p溝道4H-SIC器件，其面積很小，有源區尺寸為0.5mm×0.5mm。2006年，報道了世界上第一個阻斷電壓達到5.8kV的平面溝道4H-SIC IGBT，其有源區面積增大到4.5mm2，但室溫下的通態比電阻高達570mΩ·cm2(柵壓-30V)。2007年，他們的這項研究取得重大突破，具有相同結構但元胞寬度和漂移區寬度都增大一倍的器件阻斷電壓提高到7.5kV，而室溫下的通態比電阻降低到26mΩ·cm2(柵壓-16V)。

值得注意的是這些器件都是p溝道，其元胞結構如圖2所示。開發碳化硅IGBT之所以頃向于采用p溝道形式，首先是因為p型漂移區的電導調制效果明顯優于n型漂移區，因而容易降低通態壓降。參見圖2可知，p溝IGBT的主發射區是n+襯底，而n溝IGBT的主發射區是p+襯底，在摻雜濃度相等的情況下，N+發射區的注入效率顯然要高得多。當然，p型漂移區的高效電導調制也離不開其少子壽命的提高。從應用的角度看，p溝IGBT還有兩個優勢，一是其安全工作區面積大，這是因為4H-SIC中空穴比電子的碰撞電離系數大，npn晶體管要比pnp晶體管耐沖擊；二是因為p溝IGBT的溝道體是n+阱而n溝IGBT的溝道體是p+阱，由于n+阱比p+阱的薄層電阻低得多，因而p溝IGBT的寄生pnpn晶閘管要比n溝IGBT的寄生npnp晶閘管的擎住電流密度高得多，p溝IGBT的寄生晶閘管不容易起作用。

當然，碳化硅n溝道IGBT也有其優點，特別是在碳化硅材料的額外載流子壽命還很低的時候(目前一般不到0.5μs)。壽命低，注入載流子的電導調制效果就不會很明顯。在這種情況下，n型碳化硅的低阻優勢對降低IGBT的通態比電阻就很關鍵了。同時，n溝道IGBT因為注入效率低，導通時儲存在漂移區中的額外空穴的密度也低，其關斷時間也就明顯短于p溝道IGBT。

圖2 平面柵p溝IGBT元胞結構示意圖