在当今功率半导体领域，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）无疑是器件之一。它已经历了从 PT - IGBT 到 NPT - IGBT、再到 FS - IGBT 的多次关键技术迭代。FS - IGBT 巧妙地综合了前两者的优点，在不降低正向耐压的前提下，能够大幅减薄器件厚度。同时，它摆脱了对局部辐照技术的依赖，简化了生产工艺，进而获得了更优异的 Von - Eoff 折中关系，在功率半导体市场中占据重要地位。
研究表明，对于 IGBT 而言，MOS + PIN Diode 结构在载流子分布方面比 MOS + PNP Transistor 结构更具优势。基于这一发现，IGBT 的优化方向始终紧紧围绕两个要点：一是限制空穴发射效率，二是增强注入增强效应，其终目标都是显著提升器件前端的载流子浓度。从平面栅到沟槽栅，再到的微沟槽 IGBT（Micro - Pattern Trench IGBT，简称 MPT - IGBT），载流子浓度从发射极到集电极的变化趋势发生了质的改变，从初的 “递减” 逐渐演变为 “持平”，直至现在的 “递增”。这种变化使得 MPT - IGBT 在 Von - Eoff 折中关系上取得了巨大的飞跃，性能得到了极大提升。
在微沟槽技术的探索进程中，众多科研人员都做出了重要贡献。Masakiyo Sumitomo 等人提出了局部窄台面 IGBT（PNM - IGBT），其目的在于充分发挥微沟槽的注入增强效应，同时巧妙避免因相邻栅极间距过小而导致发射极接触电阻增大的问题。英飞凌的 Christian Jaeger 等人则提出了 1200V 微沟槽设计新理念，在传统结构的基础上实现了全面性的突破。本文将基于第三代 FS Trench IGBT 平台，对 650V MPT - IGBT 进行系统、深入的仿真与细致的优化分析。
一、注入增强效应原理与微沟槽结构
1.1 注入增强效应原理
微沟槽结构的精妙设计依托于注入增强效应（Injection Enhancement Effect）。如图 1 所示，在相邻两个沟槽栅之间，空穴电流通过 Pwell 区后进入发射极。根据相关物理原理，我们可以得到一系列关键的电流关系表达式。其中，Jh,Mesa 为 mesa 区空穴电流密度，Jhole 为漂移区空穴电流密度，γ 为空穴电流占比，JC 为集电极总电流密度。在 Pwell 区，假设电子电流为零（因为电子全部通过栅极与硅表面的反型层沟道传递），我们还能进一步推导出有关电子电流和载流子浓度的表达式。通过严谨的推导，终我们得到了沟槽栅底部载流子浓度的关键表达式。这个表达式深刻揭示了设计规律：沟槽栅底部的载流子浓度与元胞宽度 WC、沟槽深度 L 成正比，与 mesa 区宽度 W 成反比。这就意味着，采用深沟槽、窄 mesa 的结构能够实现更强的注入增强效应，从而使发射极端空穴浓度显著提升。根据电中性原理，电子浓度也会随之增加，进而增强电导调制效应，减小该区域电阻，终有效降低器件整体的导通压降。
图 2 清晰地对比了 MPT - IGBT 与传统沟槽栅 IGBT 在正向导通时的载流子浓度分布情况。可以明显看出，MPT - IGBT 发射极端的载流子浓度明显更高，这正是它能够获得更低导通压降的关键所在。
在关断过程中，导电沟道会迅速消失，电流快速下降。此时，发射极端的空穴会迅速被抽取，N 漂移区与 Pwell 区之间会建立起耗尽区以承受耐压。而集电极端的空穴则需要穿越整个漂移区才能被抽出，这就会形成拖尾电流，从而导致额外的关断损耗。因此，保持集电极端空穴浓度较低有利于减少拖尾电流。MPT - IGBT 恰好实现了 “前端高、背面低” 的理想载流子分布，这也是它相比传统结构性能更优的原因。
1.2 微沟槽结构设计
文中所述的 MPT - IGBT 结构基于第三代 FS Trench IGBT 设计平台，其关键参数经过精心设计。元胞节距为 1.6μm，N 漂移区掺杂浓度为 7.18×10cm（对应电阻率 60Ω?cm），漂移区厚度为 60μm，器件额定电压为 650V。其整体结构如图 3 所示。
该器件的工艺流程较为复杂且严谨。硅晶圆首先要进行沟槽刻蚀，然后进行栅氧生长、多晶硅淀积等操作。接着进行 Pwell 区和 N?区注入，再进行 P?区注入退火等正面工艺。完成正面工艺后，将晶圆翻转进行 FS 层及背面 P?区注入。为了减少对器件前端结构的热影响，背面退火选用激光退火工艺。
其他关键参数设置如下：
发射极 CT 孔宽度：0.2μm
P?区浓度：1.4×10cm，结深：0.3μm
Pwell 区掺杂浓度：1×10cm，结深：3.5μm
集电极侧 P区浓度：1×10cm
Nbuffer 区掺杂浓度：1.3×10cm
二、微沟槽结构仿真与优化
2.1 沟槽式接触孔的引入
在 MPT - IGBT 中，两个沟槽栅之间采用沟槽 CT（Contact）孔的发射极结构。当 mesa 宽度降至 1μm 以下以化注入增强效应时，平面发射极的 P与 N区会相互耗尽，这会导致该区域电阻增大，从而降低载流子发射效率。为了解决这个问题，我们采用了对与发射极接触的 P?区硅进行刻蚀（形成沟槽 CT），再进行 P区注入的方法。如图 4 所示，这种结构可有效避免 PN 结相互耗尽导致的电阻增大问题。
仿真结果（图 5）显示：采用平面发射极时，栅极电压超过 6.5V 后 Ic 随 Vg 呈线性增长，而非指数增长，这对大电流工作极为不利。而沟槽 CT 结构的 Ic 随 Vg 呈指数增长，器件可获得更低的导通压降，在大电流工作场景下表现更加出色。
2.2 Mesa 宽度优化
由前面的公式可知，mesa 宽度与沟槽栅底部载流子浓度成反比。mesa 越窄，前端载流子浓度越高，导通电阻越低，导通压降也就越小。但更高的载流子浓度也意味着关断时抽取时间更长，关断损耗增大。图 6 的仿真结果验证了上述分析：随 mesa 宽度增加，正向导通压降 Von 增大，关断损耗 Eoff 减小。图 7 展示了不同 mesa 宽度下的载流子浓度分布，与理论分析完全吻合。
然而，mesa 宽度并非可以无限减小。宽度过小会导致器件短路能力急剧下降，极端情况下甚至完全丧失短路耐受能力，这意味着器件在短路工况下将立即失效，无法应用于实际电力系统。因此，mesa 宽度需要在注入增强效应与短路能力之间取得一个平衡，以确保器件在不同工况下都能稳定、可靠地工作。
2.3 沟槽长度优化
沟槽栅长度同样对底部载流子浓度有着重要影响。沟槽栅越长，器件正面载流子浓度越高。我们选取了 4μm、5μm、6μm、7μm 四种沟槽栅长度进行仿真。
图 8 显示：随沟槽栅长度增加，正面载流子浓度增大，峰值位置向集电极侧转移（因为峰值位于沟槽栅底部，随着沟槽加深而推移）。图 9 的数据进一步印证了理论分析：更高的载流子浓度带来更低的导通压降和更高的关断损耗。
此外，我们还需要特别关注器件耐压能力。元胞区的击穿通常发生在沟槽底部，因此沟槽栅深度增加会导致正向耐压下降。仿真数据显示，沟槽栅从 4μm 增至 7μm 时，器件耐压从 874V 依次降至 861V、847V、834V，呈近似线性下降趋势。这就要求我们在设计沟槽长度时，必须在降低导通压降和保证耐压能力之间进行权衡，以确保器件的综合性能达到。
