碳化硅IGBT结构特点及应用优势详解

碳化硅igbt的优势是什么？什么是碳化硅？碳化硅是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生产绿色碳化硅时需要加食盐）等原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，莫桑石。 碳化硅又称碳硅石。在当代C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应用最广泛、最经济的一种，可以称为金钢砂或耐火砂。 目前中国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体，比重为3.20～3.25，显微硬度为2840～3320kg/mm2。

碳化硅igbt的优势结构特点及应用

碳化硅igbt的优势，尽管碳化硅功率MOS的阻断电压已能做到10kV，但作为一种缺乏电导调制的单极型器件，进一步提高阻断电压也会面临不可逾越的通态电阻问题，就像1000V阻断电压对于硅功率MOS那样。理论计算表明，要做一个耐压20kV的碳化硅功率MOS，其n型外延层的厚度需要超过172μm，相应的漂移区最小比电阻会超过245mΩ·cm2。因此高压大电流器件(>7kV，>100A)的希望寄托在碳化硅BJT上，特别是既能利用电导调制效应降低通态压降又能利用MOS栅降低开关功耗、提高工作频率的碳化硅IGBT上。

由于电导调制效应，碳化硅高压IGBT的通态比电阻远比碳化硅功率MOS低，而且在阻断电压额定值升高时变化不大。在电导调制效应充分发挥作用的情况下，IGBT漂移区的通态压降只与载流子的双极扩散系数和双极寿命有关，而不会随着导通电流的升高而升高。图1所示，为碳化硅IGBT与碳化硅功率MOS在额定阻断电压均设计为20kV时的理论伏安特性之比较，表现了IGBT十分明显的高压优势。

图中还可看到，当工作温度发生变化时，碳化硅高压IGBT的通态压降随着结温的升高而降低。这主要是因为碳化硅外延层中额外载流子的双极寿命会随着温度的升高而延长，虽然扩散系数会随着温度的升高而有一定缩小，但寿命的更大延长最终使双极扩散长度增大，从而使通态压降降低。这种情况在n沟道器件中尤其明显。

这跟功率MOS的正向压降在高温状态下的较大幅度升高形成鲜明对照。碳化硅p沟道IGBT因为沟道电阻较大而在相同电流密度下比n沟道IGBT通态压降高一些，但其高低温状态下的伏安特性变化不大。从应用的角度看，这无疑也是一种优势。

图1 碳化硅IGBT与碳化硅功率MOS在耐压20kV相同条件下的特性比较

由图1中的等功耗曲线与这几种器件的通态特性曲线的交点不难算出：对应于相同的功耗300W/cm2，碳化硅IGBT与碳化硅功率MOS的通态电流之比对p沟器件和n沟器件有所不同，在室温下分别是1.5和1.8，在225℃下则分别提高到2.7和3.5，说明高压大电流碳化硅IGBT更适合于高温应用。

与碳化硅BJT相比，碳化硅IGBT因使用绝缘栅而具有很高的输入阻抗，其驱动方式和驱动电路相对比较简单。但是，碳化硅IGBT研制工作的困难也很大。研发初期的主要困难是p型碳化硅因受主杂质的电离能较高(200meV)而比具有相同杂质浓度的n型碳化硅的载流子密度低，因而p沟道IGBT很难获得低阻的源极接触，而n沟道IGBT又需要用p型碳化硅作衬底(注入层)，以至其衬底电阻往往比其电压阻断层(漂移区)的电阻还高。由于这个原因，对碳化硅IGBT的研发工作起步较晚，1999年才首见报道。这是一个阻断电压仅为790V的p沟道4H-SIC IGBT，而且通态压降很高，在75 A/cm2电流密度下即高达15V。这说明碳化硅IGBT在阻断电压不高的情况下相对于碳化硅功率MOS来说并没有什么优势，其优越性只在10000V以上的高压应用中才能凸显出来。

随着材料制备技术和器件工艺技术的进步，碳化硅IGBT的研制在2005年前后取得重大进展。2005年报道了世界上第一个阻断电压高达10kV的IGBT，这是一个采用UMOS做栅的p沟道4H-SIC器件，其面积很小，有源区尺寸为0.5mm×0.5mm。2006年，报道了世界上第一个阻断电压达到5.8kV的平面沟道4H-SIC IGBT，其有源区面积增大到4.5mm2，但室温下的通态比电阻高达570mΩ·cm2(栅压-30V)。2007年，他们的这项研究取得重大突破，具有相同结构但元胞宽度和漂移区宽度都增大一倍的器件阻断电压提高到7.5kV，而室温下的通态比电阻降低到26mΩ·cm2(栅压-16V)。

值得注意的是这些器件都是p沟道，其元胞结构如图2所示。开发碳化硅IGBT之所以顷向于采用p沟道形式，首先是因为p型漂移区的电导调制效果明显优于n型漂移区，因而容易降低通态压降。参见图2可知，p沟IGBT的主发射区是n+衬底，而n沟IGBT的主发射区是p+衬底，在掺杂浓度相等的情况下，N+发射区的注入效率显然要高得多。当然，p型漂移区的高效电导调制也离不开其少子寿命的提高。从应用的角度看，p沟IGBT还有两个优势，一是其安全工作区面积大，这是因为4H-SIC中空穴比电子的碰撞电离系数大，npn晶体管要比pnp晶体管耐冲击；二是因为p沟IGBT的沟道体是n+阱而n沟IGBT的沟道体是p+阱，由于n+阱比p+阱的薄层电阻低得多，因而p沟IGBT的寄生pnpn晶闸管要比n沟IGBT的寄生npnp晶闸管的擎住电流密度高得多，p沟IGBT的寄生晶闸管不容易起作用。

当然，碳化硅n沟道IGBT也有其优点，特别是在碳化硅材料的额外载流子寿命还很低的时候(目前一般不到0.5μs)。寿命低，注入载流子的电导调制效果就不会很明显。在这种情况下，n型碳化硅的低阻优势对降低IGBT的通态比电阻就很关键了。同时，n沟道IGBT因为注入效率低，导通时储存在漂移区中的额外空穴的密度也低，其关断时间也就明显短于p沟道IGBT。

图2 平面栅p沟IGBT元胞结构示意图