In der aktuellen IGBT-Oberflächenstruktur gleichen sich planare und Trench-Gate-IGBTs aneinander an. Viele Leser könnten beim ersten Lesen dieser beiden Begriffe fälschlicherweise annehmen, dass der Strom bei planaren IGBTs horizontal und bei Trench-Gate-IGBTs vertikal fließt. Tatsächlich ist das ein Missverständnis. Unabhängig davon, ob es sich um einen planaren oder Trench-IGBT handelt, fließt der Strom vertikal. Darüber hinaus wird bei allen uns bekannten Leistungselektronikbauelementen wie IGBTs, MOSFETs, Thyristoren und Leistungsdioden der Strom vertikal fließen gelassen, um die Anforderungen an die Spannungsfestigkeit zu erfüllen. Bei IGBTs fließt der Löcherstrom von der hinteren Kollektorelektrode zur vorderen Emitterelektrode; der Elektronenstrom fließt vom Emitter, durchläuft den Oberflächeninversionskanal und fließt zum hinteren Kollektor (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1. Stromflussrichtung im IGBT

Wir alle wissen, dass Trench-Gate-IGBTs im Vergleich zu planaren IGBTs den Durchlassspannungsabfall deutlich reduzieren können, ohne die Abschaltverluste zu erhöhen. Wie erreicht das Trench-Gate dies? Es nutzt drei „Tricks“: Eliminierung des JFET-Effekts, erhöhte Kanaldichte und erhöhte Ladungsträgerkonzentration in Oberflächennähe.

Eliminierung des JFET-Effekts

Der Hauptunterschied zwischen der Trench-Gate-Struktur und der Planar-Gate-Struktur liegt in der Ausrichtung des invertierten Kanals im P-Emitterbereich beim Einschalten des IGBT. Bei der Trench-Gate-Struktur ist der invertierte Kanal vertikal statt horizontal.

Abbildung 2. Schematische Darstellung des invertierten Kanals in planaren und Trench-Gate-IGBTs.

Bei Planar-Gate-IGBTs befindet sich der zwischen der P-Wanne und der N-Driftzone gebildete PN-Übergang während der Vorwärtsleitung in einem leichten Sperrzustand. Dies führt zur Bildung einer Raumladungszone mit einer bestimmten Breite, die einen bestimmten Raum einnimmt. Infolgedessen kann der Strom nur durch einen relativ engen Raum fließen, was die Impedanz entlang des Strompfads erhöht.

Abbildung 3. JFET-Effekt im Planar-Gate-IGBT.

Daher gibt es bei Planar-Gate-IGBTs in Richtung des Elektronenflusses den Kanalwiderstand Rchannel, den JFET-Widerstand RJFET und den Driftbereichswiderstand Rn-. Bei Trench-Gate-IGBTs hingegen wird der JFET-Bereich durch die vertikale Grabenstruktur eliminiert, was zu einer niedrigeren Gesamtimpedanz entlang des Strompfads führt.

Abbildung 4. Vergleich der Durchlassimpedanz zwischen planaren und Trench-Gate-IGBTs.

Die oberflächennahe Ladungsträgerkonzentration nimmt zu.

Bei IGBTs mit Planar-Gate nimmt die Trägerkonzentration vom Kollektor zum Emitter allmählich ab. Das Designziel von IGBTs der neuen Generation besteht darin, eine gleichmäßige Verteilung der Trägerkonzentration zwischen Kollektor und Emitter aufrechtzuerhalten, vorzugsweise mit einem allmählichen Anstieg. Dadurch können Leitungsverluste weiter reduziert werden, ohne den Tail-Strom und die Abschaltverluste zu beeinflussen. Die folgende Abbildung zeigt die Verteilung der Trägerkonzentration in der Driftzone von drei verschiedenen IGBT-Strukturen. Wir können erkennen, dass die Trägerkonzentration in Trench-Gate-IGBTs in der Nähe der Emitterzone viel höher ist als in IGBTs mit Planar-Gate. Daher können bei IGBTs mit Trench-Gate eine geeignete Grabenbreite und ein geeigneter Grabenabstand die Trägerkonzentration in der oberflächennahen Schicht der N-Zone erhöhen und so den Widerstand Rn- der Driftzone verringern.

Abbildung 5. Trägerkonzentrationsverteilung in einem IGBT.

Erhöhung der Kanaldichte

Im Vergleich zu Planar-Gate-IGBTs entfällt durch die vertikale Struktur von Trench-IGBTs die für die Herstellung leitfähiger Kanäle auf der Siliziumoberfläche erforderliche Fläche, was kompaktere Zelldesigns ermöglicht. Dies bedeutet, dass mehr IGBT-Zellen auf der gleichen Chipfläche hergestellt werden können, was zu breiteren leitfähigen Kanälen und einem geringeren Kanalwiderstand führt.

Trotz des rasanten Aufstiegs von Trench-IGBTs haben Planar-Gate-IGBTs nach wie vor ihren Platz. Die Pioniere bleiben nicht zurück, denn Trench-IGBTs müssen noch einige Herausforderungen meistern.

Die Technologie zum Ausheben glatter Grabenwände ist schwierig. Die Grabenbreite eines typischen Trench-Gate-IGBT beträgt nur 1–2 μm, und die Tiefe muss 4–5 μm oder sogar mehr erreichen. Die Gräben werden durch Säurekorrosion in die Siliziumoberfläche geätzt, und die präzise Kontrolle der Grabenbreite und -tiefe ist äußerst schwierig. Darüber hinaus müssen die Grabenwände möglichst glatt und fehlerfrei sein, da unebene Oberflächen die Durchbruchspannung beeinflussen und die Ausbeute verringern können. Auch die Ecken am Grabenboden müssen sehr glatt sein, da sich sonst das elektrische Feld an dieser Stelle konzentriert und die Spannungsfestigkeit erheblich beeinträchtigt. Es ist daher offensichtlich, dass die Trench-IGBT-Technologie viel schwieriger ist als die Planar-Gate-IGBT-Technologie.

Ein breiterer leitfähiger Kanal erhöht den Strom beim Kurzschließen des IGBT. Wie bereits erwähnt, verringert die hohe Kanaldichte von Trench-IGBTs den Kanalwiderstand, ein entsprechender Nachteil ist jedoch ein Anstieg des Kurzschlussstroms. Im schlimmsten Fall kann der Kurzschlussstrom so groß werden, dass er den IGBT innerhalb kürzester Zeit beschädigt. Damit der IGBT Kurzschlüssen von bis zu 10 Mikrosekunden (unter festgelegten Testbedingungen) standhält, müssen die Kanalbreite und die benachbarten Zellen sehr sorgfältig ausgelegt werden, beispielsweise durch Vergrößerung des Abstands zwischen den Zellen, um die Anzahl der effektiven Zellen pro Einkristall zu reduzieren. Eine andere Methode besteht darin, nicht alle Gates mit einem gemeinsamen Gate zu verbinden, sondern die Gates einiger Zellen mit ihrem Emitter kurzzuschließen. Diese Technik wird als Insert-Merged-Cell-Technologie bezeichnet. Mit dieser Methode kann die Kanaldichte verringert und so der Kurzschlussstrom reduziert und die Kurzschlussfestigkeit des Geräts verbessert werden.