一、引言
随着IGBT器件向高功率密度和低损耗方向发展，芯片减薄技术被广泛应用于降低导通损耗和关断损耗。然而，器件尺寸缩小也导致短路耐受能力下降。其主要原因在于芯片体积减小后，短路过程中热量更加集中，自热效应增强，使短路结束后的漏电流持续增加，并进一步诱发热失控，最终导致器件失效。
针对短路能力下降问题，已有研究提出了多种优化方法，例如通过表面附加电极提高热容、减薄背面焊料层改善散热路径，以及优化场截止层结构调节集电极注入效率等。此外，为进一步降低导通损耗，沟槽栅结构不断向精细化方向发展，但沟槽密度增加会导致单位面积沟道数量增加，使短路状态下电流密度升高，从而降低器件可靠性。
为兼顾低损耗和高可靠性，Dummy Trench结构被应用于Trench IGBT设计中。该结构并不直接参与导通电流控制，而是通过调节电场分布、载流子输运路径以及电流密度分布，提高器件短路耐受能力。
二、优化发射极结构与短路能力提升
本文研究对象为两种1200 V场截止型IGBT，分别记为IGBT A和IGBT B，其结构如图1所示。两种器件均采用一个有源栅沟槽和两个连接发射极电极的Dummy Trench结构，并通过n⁺发射极与p⁺区域交替排列，实现饱和电流控制以及反向偏置安全工作区（RBSOA）能力保证。
随着Trench IGBT沟槽尺寸不断减小、密度不断提高，单位面积有效沟道数量增加，在降低导通电阻的同时，也导致短路电流密度升高。因此，优化Dummy Trench附近的发射极布局成为提升短路可靠性的有效途径。
图1 IGBT A&B 横截面和平面结构示意图
如图1所示，两种IGBT结构的主要区别如下：
IGBT A：表面采用规则交替排列的n⁺发射极区域和p⁺区域；
IGBT B：去除了两个Dummy Trench之间区域的部分n⁺发射极结构。
需要指出的是，IGBT B去除的是不参与沟道导电过程的n⁺区域，其有效沟道面积和沟道密度基本保持不变。因此，两种结构理论上具有相近的静态和动态性能。
如图2所示，I-V测试结果表明，IGBT A和IGBT B在导通特性及开关性能方面基本一致，说明该结构优化不会明显影响器件正常工作性能。
图2 IGBT A&B 的静动态测试结果
在此基础上，进一步开展短路耐受能力测试。实验中，芯片焊接于铜基底上，表面覆盖硅凝胶防止放电，并置于175 ℃恒温环境中。在集电极—发射极之间施加800 V电压，同时施加+15 V栅极电压，使器件进入短路状态。
短路能力采用短路期间器件吸收能量（Energy during Short Circuit, ESC）进行评价：ESC=∫VCE×ICdt。其中，ESC越大，表示器件能够承受的短路能量越高，短路耐受能力越强。
实验结果如图3所示：
IGBT A在短路电流关闭约270 us后发生热失控并失效；
IGBT B的ESC达到IGBT A的108%，短路耐受能力得到提升
结果表明，通过优化Dummy Trench附近n⁺发射极布局，可以在不牺牲静动态性能的情况下，提高IGBT短路可靠性。
图3 IGBT A和B的短路波形曲线
三、机理解释
为了进一步解释IGBT B短路能力提升的原因，采用仿真方法分析短路结束后的内部温度、电流分布及漏电流变化过程，如图4所示。
图4 从短路刚结束到各时刻每个IGBT的内部状态
重点关注短路结束后器件内部温度、电流分布以及漏电流变化过程，并将其划分为三个阶段。
1.短路刚结束阶段：IGBT A和IGBT B内部温度分布及电子电流分布基本一致，说明短路期间的主要电流行为和热量产生主要由漂移区及栅结构决定，发射极优化对短路瞬态过程影响较小。此时，最大温升区域位于沟槽栅下方漂移区，主要热源来自漂移区中的载流子输运过程。
2.短路结束后约80 μs阶段：随着短路产生的热量向芯片内部扩散，器件温度逐渐升高，热激发作用增强，使发射极区域电子漏电流增加。对于IGBT A，由于整个n⁺发射极区域均存在电子泄漏路径，即使靠近Dummy Trench区域的n⁺区域也会产生电子漏电流。相比之下，IGBT B通过去除Dummy Trench附近非有效沟道n⁺发射极区域，减少了电子泄漏路径，因此电子漏电流降低。
3.短路结束后约310 μs阶段：随着电子电流向集电极输运，IGBT内部双极输运效应增强，使集电极侧空穴注入增加，进一步放大漏电流。由于IGBT B初始电子泄漏电流较小，其载流子放大效应受到抑制，不易形成持续升温过程。而IGBT A中较大的电子泄漏电流会增强空穴注入，使器件背面温度持续升高，并进一步促进漏电流增加，最终形成：
温升增加 → 漏电流增加 → 功率损耗增加 → 温升进一步增加的正反馈过程，导致热失控失效。
研究发现，即使不参与正常导通过程的n⁺发射极区域，在短路结束后的热演化阶段仍会形成电子泄漏路径，并通过双极放大效应促进热失控。因此，通过优化n⁺发射极布局，可以在保持有效沟道密度和静动态性能基本不变的情况下，降低短路后的漏电流增长速率，提高IGBT短路耐受能力。
[1] Mitsuzuka, Kaname , et al. "Improved Short-Circuit Ruggedness in FS-IGBTs Through Optimized n+ Emitter Design." #i{2025 37th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD)} 0.
| 上一篇：IGBT场终止层对短路特性的影响 | 下一篇：此篇为最后一篇 |
关注微信公众号
