由于其低導通損耗和開關能量損耗，IGBT廣泛應用于高功率應用領域，如電源、馬達驅動逆變器和電動汽車等。對更先進功率器件的需求促使了新型硅基開發及寬禁帶材料開發的努力，以實現超越硅的理想特性。

從MOS柵極的高電子注入效率是必需的

為了將IGBT硅材料推向極限，需要從MOS柵極實現極高的電子注入效率，同時孔載流子注入應僅限于對導電調制的貢獻水平。對于Fairchild的第四代場停IGBT，通過非常細小的單元間距設計增強了電子注入，并通過新型緩沖結構限制了孔載流子注入，取得了顯著更好的權衡性能以及強大的抗鎖定能力。為了實現窄臺階或高密度陰極設計的溝道IGBT，采用了自對準接觸工藝。

這一工藝在優化主動單元設計的關鍵尺寸以增強導通狀態性能方面非常有效，同時也最大限度地提高了抗鎖定電流能力。此外，在IGBT的陽極側采用了多層緩沖層，以有效控制導通狀態下的少數載流子注入，并在關斷狀態下完全屏蔽電場。

提議的IGBT的垂直結構

提議的IGBT的垂直結構在圖1中展示了陰極和陽極側。圖1(a)和1(c)顯示，通過采用自對準接觸工藝，成功實現了亞微米窄臺階寬度的高密度單元設計，沒有任何光對準偏移。該圖所示的高密度主動圖案有利于從陰極側極大增強電子注入，因此導致更高的電子電流密度。

圖1(b)中所示的新型多層緩沖結構對于IGBT運行期間理想的載流子分布非常有幫助。通常，單層緩沖層的摻雜濃度為1~5e15cm–3，能夠高效控制孔注入和電場屏蔽。在本實驗中，為了獲得更好的權衡性能，額外嵌入了摻雜濃度更高的薄緩沖層。

換句話說，雙緩沖層中的高摻雜濃度對于電場屏蔽和由第一層FS(L1)控制的孔載流子注入更加有效。第二緩沖層(L2)的低摻雜濃度則更適合于形成輕摻雜的p型集電極，以在不殺死載流子壽命的情況下實現高頻開關性能。此外，通過改變雙緩沖層的摻雜濃度和厚度，可以有效改善器件的開關波形，從而實現合適的載流子分布控制，在開關的開啟/關閉操作中發揮作用。

如圖2所示，測得的靜態擊穿電壓約為720V，并且在硬波形下測試。這表明雙緩沖層在關斷狀態下能夠充分屏蔽電場。在本研究中，開發并評估了額定650V-50A的第四代FS IGBT。圖3展示了在470A/cm2電流密度下，針對導通狀態電壓降和關斷硬開關的權衡性能與第三代FS IGBT的比較。提議的第四代FS IGBT顯示出比以往IGBT技術更好的權衡性能(在相同的導通狀態電壓下約減少30%的關斷能量損耗Eoff)。

抗鎖定能力

抗鎖定能力在靜態和動態條件下進行評估，如圖4和圖5所示。圖4顯示，最大靜態飽和電流約為4000A/cm2，沒有出現鎖定現象。

動態抗鎖定特性

特別地，在圖5中展示的動態抗鎖定特性中，提議的FS IGBT表現出非常強的抗壓能力，在嚴苛的硬開關條件下(T=150°C，Rg=0Ω，Vge=±15V誘導集電極和發射極之間產生非常高的電壓斜率(dv/dt))也能安全地工作在3000A/cm2的電流密度下而不發生故障。這是因為自對準工藝消除了接觸光對準誤差可能導致的局部弱點，使注入的少數載流子能夠均勻流動，而不會集中于特定區域。

總結

基于優化注入增強載流子分布的第四代FS IGBT技術成功開發，致力于接近IGBT硅材料的極限。這一新一代FS IGBT采用高密度單元結構和精心設計的雙緩沖層，在靜態和動態狀態下表現出優越的器件性能，同時具備強大的抗鎖定能力。

經過確認，自對準工藝是實現亞微米溝道和臺階主動設計的非常有效的方法，同時也能有效實現強大的抗鎖定能力。在下一代IGBT開發中，將進一步縮小臺階寬度，并繼續使用自對準工藝，以進一步最大化注入增強，因此少數載流子注入控制的緩沖結構也應進行優化。

浮思特科技深耕功率器件領域，為客戶提供IGBT、IPM模塊等功率器件以及單片機(MCU)、觸摸芯片，是一家擁有核心技術的電子元器件供應商和解決方案商。