IGBT模块动态雪崩产生机制和抑制方法

1、IGBT 模块动态雪崩产生机制和抑制方法IGBT 模块动态雪崩产生机制和抑制方法 作者：微叶科技 时间： 2015-04-16 12:08由于大功率电机传动、机车牵引和高压输电等领域的高压 IGBT模块长期在高压大电流的工作模式下，高压IGBT 为了承受数千伏的外加电压，其n层要做得很厚，掺杂浓度 也必须很低（10 13cm 3量级或更低）时，这样低的 衬底浓度很容易诱发动态雪崩现象。从而会直接影响器件的 坚固性和安全工作区（SOA）面积，与应用需求形成了强 烈的反差和冲突。高压IGBT的动态雪崩问题一直是 IGBT 研究领域的技术研究重点。IGBT 动态雪崩产生机制在动态关断过程中，器件内部

2、所发生的由电流控制的受 自由载流子浓度影响的碰撞电离现象。以pin二极管结构 为例，如图1所示，反向恢复开始后，随着过剩载流子的逐 渐被抽取,pn结附近将形成空间电荷区。当等离子层（p lasma层，即整体电中性的过剩电子一空穴对堆积区）中的空穴向阳极侧（图1左侧）漂移经过空间电荷区时，n 区耗尽层内的有效的空间正电荷密度Ncf f将增大，由N eff=ND（ n区施主浓度）增至Neff=ND+p。 其中，p为空穴浓度，在空间电荷区电场强度随反压增加不 断增强而使空穴漂移速度趋向于饱和时，可近似认为它与反 向恢复电流密度j成简单正比，即p = j/ qvsat。取 空穴饱和漂移速度vsat =

3、 1X1017cm/s,当j 达到 2 0 0 A/cm2 时，p = j/ qvsat = 1.6X 10 14 cm3,而高压二极管n基区ND通常为101 3 cm3量级。此时p值不仅不可忽视，而且在Neff 中占主导地位，使其值大大增加。由泊松方程dE/dx= qNeff/g可知，pn结附近电场梯度会显著增加，在 外加电压vR相同的情况下，动态下的电场峰值（具体值由 j和vR的瞬时值决定）将比静态情况有显著增加，更加接 近甚至达到临界击穿场强。所以，此时发生雪崩碰撞电离的 电压临界值将不再由n掺杂决定。电场峰值一旦达到临界击 穿场强，雪崩碰撞电离就会提前发生， 这就形成了动态雪崩。 在高

4、压快恢复pin二极管、GTO、GCT、MCT和I GBT等双极型器件中，都有可能发生动态雪崩现象。按自由载流子浓度对碰撞电离影响程度的不同，划分了三种程 度的动态雪崩。当反向恢复电流密度不是很大时,PN结发 生动态雪崩，电场梯度增加，电场峰值增强，此时电场分布 形状近似为图1所示的直线型，称之为一度动态雪崩。随着 反向恢复电流密度进一步增大，由于电子和空穴的运动方向 不同，在空间电荷区内，等离子层抽取空穴（浓度为P）及 pn结附近碰撞电离所产生的空穴和电子（浓度分别为pa v和nav）富集在不同位置上，空间电荷区电场分布形状 随之改变。如图2所示，当反向电流密度为5 0 0 A/cm 2时电场

5、为直线型分布，但当电流密度增大为1 5 0 0 A/ cm2时，电场变为S型分布。随着S型分布效应增强，电 场E（x） 所围面积（即电压）将会减小，从伏安特性上 讲此时二极管会进入负微分电阻区，称之为二度动态雪崩。 IGBT中的动态雪崩，在基本原理上与pin二极管是一 致的，但在具体说来，问题会更复杂些，这主要体现在以下 几个方面。1. IGBT关断时除了像二极管一样有一个反偏的PN结（在发射极侧，下图左侧，由p阱和n基区构成）之外，在 集电极侧（下图右侧），还存在一个正偏的pn结（由背P 区和N基区构成）。这一方面使得等离子层消失过程就受限 于电子的抽取（后者又受限于正偏背pn结注入效率）；

6、另一方面，由于背pn结有空穴的注入，可以抵消电子向右流 动时在nn结附近形成的负空间电荷，所以能有效地抑制n n结处的电场抬头，就使得发生三度动态雪崩的可能性大为 降低。从这个角度来说,IGBT的抗动态雪崩能力比起二 极管来具有“先天”优势。尤其是没有下图中n缓冲层且n区 更厚的NPTIGBT,由于 IGBT不存在nn结，电场 也不会穿通至背p区，所以很难发生三度动态雪崩。2. IGBT在关断过程的开始阶段，在MOS沟道未彻底关断之前(从vGE波形是否咼于阈值电压可大致判断),会有电子从沟道注入到空间电荷区，对进入该区的空穴起到 电荷补偿作用，可暂时抑制集电极侧pn结处的电场抬头和 动态雪崩。

7、但沟道一旦关断，在大电流和咼压作用下，就会 发生明显的动态雪崩现象。所以，发生动态雪崩的IGBT 的关断波形通常表现为：电压先以正常的较大速率上升，但 在发生动态雪崩后，由于过剩载流子抽取速度变慢，电压上 升率会明显减弱。如图5(a )所示。按照这一思路，只要 加大RG电阻，使沟道关断变慢，让导通的沟道一直等到集 电极电流明显减小之后再关断，就可以有效抑制动态雪崩的 发生，如下图(b)所示。不过，这要以增大关断损耗为代 价。3.综合1、2两点可知，IGBT通常在过流、 高压和 低栅电阻条件下才会发生显著的的动态雪崩。在厂商数据表 (datasheet )所给定的额定电流、电压以及较大 栅电阻条

8、件下，一般是可以安全关断的，因此数据表会给出 一个矩形的关断SOA。但正如本文引言部分所述，在高压领域的实际应用需求中，往往会对器件的坚固性有极端要求，因此实际器件坚固性的指标必须像图6那样大大超越数据 表中的SOA：4，才能具备市场竞争力。因此，研究I GBT的动态雪崩问题，往往要针对过流、低栅阻、大杂散 电感（可诱生过压）、非箝位感性开关（U IS）（可产生高于额定电压的高压）和短路（高压及过流同时存在且维持数 s至1 Ops时间）等极端条件展开。4.由于器件内部的栅电阻在芯片内有分布效应，所以IGBT内部元胞的沟道 是渐次关断的。在部分元胞沟道关断后，电子电流会向仍开 通的元胞沟道挤压，

9、在动态雪崩发生之前就已经会出现一定 程度的电流集中，如图7（b ）所示。按照前述的原理，在 适当条件下，动态雪崩会在沟道关断后的元胞处首先发生并 形成电流丝，这是因为这里没有电子流对过多的正空间电荷 进行补偿。两 类电流集中有可能同时出现，给问题带来了 复杂性。像二极管一样，动态雪崩所形成的电流丝也会转移（图7（d） （f）。只不过由于IGBT正面是周期性 出现的p阱结构（无论平面型还是槽栅型），而不是二极管中那样是平行平面结，因此，电流丝的转移更像是“跳跃”， 而不是像是pnp管热丝，也可以是npn管热丝。背p区掺杂和体内寿命控制的横向不均匀同样会引起正面 电流集中于特定部位。5.结终端处其

10、实是有源区内结构周 期性突然丧失、不均匀性最为突出的部位。而在关断过程中, 结终端附近又往往是电场和载流子集中的区域，所产生的空 穴电流会集中最外圈元胞(主结)处，这种密集的电流很难 向体内移动，因而最终形成局域热击穿。提高I GB T抗动态雪崩能力的措施针对上述失效机理，可采用的提高I GB T抗动态雪崩能 力的措施主要有：(1 )适当提高注入效率的背p区和n缓冲层/场中止层的 优化设计。(2)优化元胞结构设计，强化对n+源区的保护，尽量减 小n+区下方的横向电阻，提高常温及高温条件下的闩锁电 流阈值。(3 )采用优质衬底片和优良的加工设备，尽可能提高材料 及工艺的均匀性。(4 )进行特殊和

11、优化的结终端设计，以减小主结边缘处的 载流子富集和电场集中。(5)在有源区采用特殊设计和工艺，使有源区的静态击穿 电压和动态雪崩钳位电压都低于非有源区(含结终端区和栅 汇流条、栅焊盘区)的击穿电压。如图8所示。基于通过寿命控制优化快速扫出内部载流子的理念，新设计的 3.3kV IGBT模块具有快速开关和快速恢复特性。 在谐振DC/DC转换器模拟电路中，与传统高速模块比， 初级端IGBT的损耗降低15%，次级端二极管的损耗降 低47%。通过降低IGBT和二极管的损耗，新设计的模 块将适用于双向和中频应用，例如DC/DC谐振转换器。 这一设计概念也可用于6.5kVIGBT和其他电压级别器件。因此，

12、可以考虑多种中频应用电路拓扑。另外，我 们还在模拟电路中评估了SiCJBS二极管SiC JBS表现出最低功耗，对未来1 0kHz以上的高频应用， 会带来极大好处。不管怎么说，我们期待新设计概念适用于 中频应用，在SiCJBS出现在功率半导体市场前是一 理想解决方案。以上对高压IGBT的动态雪崩问题进行了概述，涉及I GBT动态雪崩的概念、复杂性、失效机理和应对措施等。 这些概念的建立，对于设计制造出坚固性强的高压IGBT 至关重要。为获得高性能产品，还需结合具体的坚固性指标， 再结合与其他性能参数的折中关系，对问题进行深入细致的 分析和仿真，进而提出合理的结构设计，并通过反复试验探 索，才能取得最终的成功。拓展阅读 :pin 管的三度动态雪崩形成机制在更大的反向恢复电流密度下，随着阳极侧电场强度不断增强，带负电的高浓度碰撞电离产生电子（浓度为nav） 以及等离子层抽取电子（浓度为n）在向阴极漂移过程中， 会对基区电离施主ND形成过补偿，使nn+结处也形成较 强的电场，此时电场分布如图3所示。类似于阳极侧（