В современной структуре поверхности IGBT планарный и траншейный типы можно считать равноценными. Многие читатели, впервые столкнувшись с этими двумя терминами, могут ошибочно подумать, что ток планарного IGBT течёт горизонтально, а ток IGBT с траншейным затвором — вертикально. На самом деле, это заблуждение. Независимо от того, является ли это планарным или траншейным типом IGBT, ток течёт вертикально. Более того, во всех известных нам силовых электронных приборах, таких как IGBT, MOSFET, тиристоры и силовые диоды, для удовлетворения требований по выдерживаемому напряжению ток должен течь вертикально. В IGBT ток дырок течёт от заднего коллекторного электрода к переднему эмиттерному; ток электронов течёт от эмиттера, проходит через канал поверхностной инверсии и течёт к заднему коллектору, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Направление тока в IGBT

Мы все знаем, что по сравнению с планарными IGBT, транзисторы с траншейным затвором могут значительно снизить падение напряжения в открытом состоянии без увеличения потерь при выключении. Итак, как же транзистор с траншейным затвором этого добивается? У него есть три «фишки»: устранение эффекта JFET, увеличение плотности каналов и увеличение концентрации носителей заряда у поверхности.

Устранение эффекта JFET

Основное отличие между структурой с траншейным затвором и планарной структурой затвора заключается в ориентации инвертированного канала в области эмиттера P-типа при включении IGBT. В структуре с траншейным затвором инвертированный канал расположен вертикально, а не горизонтально.

Рисунок 2. Принципиальная схема инвертированного канала в планарных и траншейных IGBT.

В IGBT с планарным затвором при прямом токе p-n-переход, образованный между p-карманом и n-дрейфовой областью, находится в состоянии небольшого обратного смещения. Это приводит к образованию области пространственного заряда определённой ширины, занимающей определённое пространство. В результате ток может протекать только через относительно узкое пространство, что увеличивает импеданс вдоль пути тока.

Рисунок 3. Эффект JFET в планарном затворе IGBT.

Таким образом, в IGBT с планарным затвором в направлении потока электронов имеется сопротивление канала Rchannel, сопротивление JFET RJFET и сопротивление дрейфовой области Rn-. С другой стороны, в IGBT с канавочным затвором вертикальная канавочная структура исключает область JFET, что приводит к снижению общего импеданса вдоль пути тока.

Рисунок 4. Сравнение импеданса в открытом состоянии планарных и траншейных IGBT.

Приповерхностная концентрация носителей увеличивается.

Для IGBT с планарным затвором концентрация носителей заряда постепенно уменьшается от коллектора к эмиттеру. Целью разработки IGBT нового поколения является поддержание равномерного распределения концентрации носителей заряда между коллектором и эмиттером, предпочтительно с постепенным увеличением. Это может дополнительно снизить потери проводимости, не влияя на хвостовой ток и потери выключения. На рисунке ниже показано распределение концентрации носителей заряда в области дрейфа трех различных структур IGBT. Мы видим, что вблизи области эмиттера концентрация носителей в IGBT с траншейным затвором значительно выше, чем в IGBT с планарным затвором. Следовательно, в IGBT с траншейным затвором соответствующая ширина траншеи и расстояние между ней могут увеличить концентрацию носителей в приповерхностном слое N-области, тем самым уменьшая сопротивление области дрейфа Rn-.

Рисунок 5. Распределение концентрации носителей заряда в IGBT.

Увеличение плотности каналов

По сравнению с IGBT с планарным затвором, вертикальная структура траншейных IGBT исключает необходимость в площади для создания проводящих каналов на поверхности кремния, что позволяет создавать более компактные ячейки. Это означает, что на той же площади кристалла можно изготовить больше ячеек IGBT, что приводит к более широким проводящим каналам и меньшему сопротивлению каналов.

Несмотря на стремительный рост популярности траншейных IGBT, планарные IGBT всё ещё занимают своё место. Первопроходцы не отстают, поскольку траншейным IGBT ещё предстоит преодолеть ряд трудностей.

Технология создания гладких стенок траншеи сложна. Ширина траншеи типичного IGBT с траншейным затвором составляет всего 1-2 мкм, а глубина должна достигать 4-5 мкм или даже больше. Траншеи протравливаются на поверхности кремния с помощью кислотной коррозии, и точный контроль ширины и глубины траншеи крайне затруднен. Кроме того, стенки траншеи должны быть максимально гладкими и бездефектными, поскольку неровности поверхности могут повлиять на напряжение пробоя и снизить выход годных изделий. Углы в нижней части траншеи также должны быть очень гладкими; в противном случае электрическое поле будет концентрироваться в этой точке, что серьёзно повлияет на стойкость к напряжению. Таким образом, очевидно, что технология траншейного IGBT гораздо сложнее технологии IGBT с планарным затвором.

Более широкий проводящий канал увеличит ток при коротком замыкании IGBT. Как уже упоминалось, высокая плотность каналов в траншейных IGBT снижает сопротивление канала, но одним из сопутствующих недостатков является увеличение тока короткого замыкания. В худшем случае ток короткого замыкания может быть настолько большим, что повредит IGBT за очень короткое время. Чтобы IGBT мог выдерживать короткие замыкания длительностью до 10 микросекунд (при заданных условиях испытаний), необходимо очень тщательно проектировать ширину канала и соседние ячейки, например, увеличивая расстояние между ячейками для уменьшения количества эффективных ячеек на один кристалл. Другой метод заключается в том, чтобы не соединять все затворы с общим затвором, а закоротить затворы некоторых ячеек с их эмиттером. Этот метод называется технологией вставных ячеек (inser-merged-cell). Используя этот метод, можно уменьшить плотность каналов, тем самым уменьшая ток короткого замыкания и повышая устойчивость устройства к коротким замыканиям.