以下文章來(lái)源于半導(dǎo)體先進(jìn)技術(shù)與仿真，作者CAE工程師筆記Tony

隨著能源效率成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)，半導(dǎo)體行業(yè)迎來(lái)了技術(shù)革新的浪潮。金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)便是這一背景下的產(chǎn)物，其通過(guò)電場(chǎng)效應(yīng)調(diào)控導(dǎo)電通道，顯著降低了驅(qū)動(dòng)所需的能量。這種設(shè)計(jì)帶來(lái)了快速的開(kāi)關(guān)響應(yīng)和高效率的能量轉(zhuǎn)換,使MOSFET在中小功率場(chǎng)景中廣泛應(yīng)用。不過(guò)，當(dāng)面對(duì)高壓需求時(shí)，MOSFET的性能會(huì)受到限制，因?yàn)樘嵘蛪耗芰ν殡S著電阻的增加，從而削弱其效率。為了應(yīng)對(duì)高壓高功率場(chǎng)景下的挑戰(zhàn),絕緣姍雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)應(yīng)時(shí)而生間。這種器件巧妙結(jié)合了電場(chǎng)控制與載流子傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，既能在高電壓下保持較低的能量損耗，又能處理較大的電流負(fù)載。憑借這一特性，IGBT迅速成為現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域不可或缺的支柱，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、可再生能源系統(tǒng)等領(lǐng)域中扮演著關(guān)鍵角色。

自20世紀(jì)80年代IGBT問(wèn)世以來(lái)，其制造工藝經(jīng)歷了多次革新。在IGBT器件的早期設(shè)計(jì)中，研究人員選用了高摻雜濃度的P型襯底作為基礎(chǔ)，并通過(guò)在該襯底上淀積兩次N型外延層，成功構(gòu)建了最初始的穿通型(Punch Through,PT)IGBT結(jié)構(gòu)。為了降低制造成本并提升耐壓性能，研究人推出了采用區(qū)熔單晶片工藝制作的非穿通(NonPunchThrough,NPT)型IGBT結(jié)構(gòu)。在NPTIGBT的發(fā)展初期，由于背面工藝中存在諸多如N-buffer層的制備、退火處理等技術(shù)難題，導(dǎo)致器件的耐壓能力受到限制，僅能達(dá)到600V至1200V的范圍。通過(guò)綜合比較PT-IGBT和NPT-IGBT的優(yōu)缺點(diǎn)，在前人的研究基礎(chǔ)上研究人員進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了場(chǎng)截止(FieldStop,FS)型IGBT器件結(jié)構(gòu)。

FS-IGBT作為當(dāng)今主流的IGBT器件結(jié)構(gòu)，通過(guò)在襯底中引入FS層，當(dāng)實(shí)現(xiàn)了在維持額定電壓不變的前提下對(duì)器件性能的顯著優(yōu)化。FS層的應(yīng)用是IGBT襯底技術(shù)發(fā)展的重要里程碑，體現(xiàn)了研究人員在器件設(shè)計(jì)上的持續(xù)創(chuàng)新與改進(jìn)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，F(xiàn)S-IGBT產(chǎn)品的耐壓水平也逐漸提高到了6500V。

近年來(lái)，出現(xiàn)的輕穿通（Light Punch-Through, LPT）IGBT結(jié)構(gòu)，通過(guò)減薄器件厚度實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)通損耗與關(guān)斷損耗的優(yōu)化平衡。然而，芯片體積的縮減導(dǎo)致短路耐受能力顯著降低，這種在傳統(tǒng)厚晶圓IGBT中未曾出現(xiàn)的失效模式表現(xiàn)為：短路期間的自發(fā)熱引發(fā)泄漏電流，在短路切斷后持續(xù)放大，最終導(dǎo)致熱失控。

為實(shí)現(xiàn)性能提升與短路耐受能力保障的雙重目標(biāo)，研究表明，通過(guò)IGBT表面增加輔助電極提升熱容，或減薄背面焊料層增強(qiáng)散熱，均可改善短路耐受能力。此外，為優(yōu)化IGBT損耗特性，溝槽柵結(jié)構(gòu)與微縮化設(shè)計(jì)成為主流趨勢(shì)，但這也導(dǎo)致單位面積溝道密度增加，進(jìn)而增大短路電流、降低耐受能力。

為平衡這一矛盾，采用部分虛擬陪柵結(jié)構(gòu)連接發(fā)射極電位的結(jié)構(gòu)方案被證明可同時(shí)改善導(dǎo)通特性與短路耐受能力。本CASE重點(diǎn)針對(duì)虛擬陪柵結(jié)構(gòu)IGBT，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真驗(yàn)證表面發(fā)射極層布局對(duì)短路耐受能力的作用機(jī)制。

下圖展示了用于短路耐受能力對(duì)比的兩種1200V FS-IGBT表面結(jié)構(gòu)。器件采用數(shù)微米厚鋁膜作為表面電極，未設(shè)置特殊散熱層。表面結(jié)構(gòu)包含一個(gè)主動(dòng)?xùn)艤喜酆蛢蓚€(gè)連接發(fā)射極的虛擬陪柵，通過(guò)沿溝槽縱向交替排列n+發(fā)射極與防閂鎖p+層，實(shí)現(xiàn)飽和電流控制與反向偏置安全工作區(qū)保障。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，IGBT A采用全表面條紋狀排列的n+/p+層，而IGBT B則去除虛擬陪柵之間的n+發(fā)射極區(qū)域。兩種結(jié)構(gòu)的有效溝道面積保持一致，因此如下圖所示，IGBT B與IGBT A的I-V特性曲線與開(kāi)關(guān)損耗基本一致。

短路測(cè)試樣本制備如下圖所示：芯片焊接于數(shù)毫米厚銅基板，銅基板連接集電極電源，表面發(fā)射極與柵極通過(guò)鋁線鍵合分別連接至發(fā)射極電源與柵壓源。表面涂覆硅凝膠實(shí)現(xiàn)電氣絕緣，其散熱條件可視為近似絕熱狀態(tài)，與實(shí)際功率模塊工況一致。測(cè)試時(shí)將銅基板固定于175°C熱臺(tái)，施加800V集電極-發(fā)射極電壓后，給柵極施加+15V電壓脈沖以觸發(fā)短路。

測(cè)試采用階梯式延時(shí)法：若短路開(kāi)始至中斷后1毫秒內(nèi)未失效，則逐步延長(zhǎng)短路時(shí)間重復(fù)測(cè)試。以短路能量損耗（Esc）作為耐受能力評(píng)價(jià)指標(biāo)。下圖展示了典型短路波形，可見(jiàn)相同設(shè)置下兩器件波形基本重合，但I(xiàn)GBT A在短路電流關(guān)斷270微秒后發(fā)生熱失控失效，而IGBT B未出現(xiàn)該現(xiàn)象。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示IGBT B的Esc值較IGBT A提升8%。

為揭示IGBT B抑制熱失控的物理機(jī)制，建立了精確的三維仿真模型。模型復(fù)現(xiàn)實(shí)際器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括表面鋁電極、背面焊料層與銅基板。為簡(jiǎn)化計(jì)算采用單胞模型，銅基板面積與IGBT胞元一致。銅基板背面設(shè)定為175°C恒溫并賦予高導(dǎo)熱系數(shù)，鋁電極表面按凝膠密封條件設(shè)為絕熱邊界。

仿真中模擬實(shí)際測(cè)試條件：在VCE=800V時(shí)施加?xùn)艍好}沖產(chǎn)生短路，重點(diǎn)分析短路關(guān)斷后泄漏電流演變規(guī)律。下圖仿真波形顯示（a.顯示短路發(fā)生的時(shí)間段，b.顯示完整波形），相同短路時(shí)間下僅IGBT A模型出現(xiàn)關(guān)斷后電流驟升。其泄漏電流隨時(shí)間持續(xù)增長(zhǎng)，自發(fā)熱效應(yīng)導(dǎo)致熱失控，而IGBT B模型在相同時(shí)段內(nèi)保持穩(wěn)定，Esc提升約8%，與實(shí)驗(yàn)高度吻合。

通過(guò)下圖的瞬態(tài)過(guò)程分析可明確機(jī)理差異，短路初始時(shí)刻：兩結(jié)構(gòu)溫度分布與電子電流分布一致，發(fā)熱峰值位于柵溝槽下方的漂移層。短路后80微秒：熱量沿厚度方向擴(kuò)散，表面溫度升高引發(fā)n+發(fā)射極電子泄漏電流增大。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，IGBT A中所有n+發(fā)射極區(qū)（無(wú)論鄰近柵溝槽或虛設(shè)溝槽）均產(chǎn)生泄漏電流，而IGBT B因去除虛設(shè)溝槽旁n+區(qū)，總泄漏電流顯著降低。短路后310微秒：泄漏電子經(jīng)電場(chǎng)加速抵達(dá)p+集電極，引發(fā)空穴注入的電流放大效應(yīng)。IGBT A因初始泄漏電流較大，放大效應(yīng)更顯著，形成發(fā)熱-電流增長(zhǎng)的正反饋循環(huán)，最終導(dǎo)致熱失控。

為驗(yàn)證該機(jī)制，下圖進(jìn)一步展示了n+發(fā)射極面積比與Esc的關(guān)聯(lián)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。隨著n+發(fā)射極比例減小，Esc呈現(xiàn)單調(diào)上升趨勢(shì)，有力支持了上述分析結(jié)論。

綜上所述，本CASE通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方法，系統(tǒng)揭示了FS-IGBT的短路失效物理機(jī)制。研究證實(shí)n+發(fā)射極面積比例直接影響短路關(guān)斷后的泄漏電流特性，進(jìn)而決定耐受能力。針對(duì)現(xiàn)代虛擬陪柵結(jié)構(gòu)IGBT，通過(guò)優(yōu)化n+發(fā)射極布局方案，可在不犧牲電氣性能的前提下顯著提升短路耐受能力，為高性能高可靠性IGBT設(shè)計(jì)提供重要理論依據(jù)與實(shí)踐指導(dǎo)。