在目前的IGBT表面結構中，平面型和溝槽型可以說是勢均力敵。許多讀者初次接觸這兩個術語時，可能會誤以為平面型IGBT的電流是水平流動的，而溝槽柵型IGBT的電流是垂直流動的。其實這是一種誤解。無論是平面型或溝槽型IGBT，電流都是垂直流動的。而且，對於我們熟悉的IGBT、MOSFET、閘流管、功率二極體等所有電力電子元件，為了滿足耐電壓需求，電流都是垂直流動的。對IGBT來說，電洞電流從背面集電極流向正面射極；電子電流從射極流出，經過表面反型通道，流向背面集電極，如圖1所示。

圖1. IGBT中的電流流動方向

我們都知道，相較於平面IGBT，溝槽柵極IGBT可以在不增加關斷損耗的情況下，大幅降低通態壓降。那麼，溝槽柵是如何做到這一點的呢？它有三個「訣竅」：消除JFET效應、提高溝道密度、提高近表面載子濃度。

消除 JFET 效應

溝槽柵結構與平面柵結構的主要區別在於IGBT導通時P型發射區中反型通道的朝向，溝槽柵極結構中反型通道是垂直的，而不是水平的。

圖2.平面和溝槽閘極IGBT中反型通道的示意圖。

在平面閘極IGBT中，正向導通時，P阱和n漂移區之間形成的PN結處於輕微的反向偏壓狀態。這導致形成具有一定寬度的空間電荷區，該空間電荷區佔據了一定的空間。結果，電流只能流過相對較窄的空間，從而增加了電流路徑上的阻力。

圖 3. 平面閘極 IGBT 中的 JFET 效應。

因此，在平面閘極IGBT中，沿著電子流動方向，存在通道電阻Rchannel、JFET電阻RJFET和漂移區電阻Rn-。而溝槽閘極IGBT由於垂直溝槽結構消除了JFET區域，從而降低了電流路徑上的總阻抗。

圖4.平面和溝槽閘極IGBT的導通阻抗比較。

近表面載子濃度增加。

對於平面柵IGBT，載子濃度從集電極到射極逐漸減少。新一代IGBT的設計目標是保持集電極和發射極之間載流子濃度的均勻分佈，最好是逐漸增大，這樣可以在不影響尾電流和關斷損耗的情況下進一步降低導通損耗。下圖給出了三種不同結構IGBT漂移區載子濃度分佈。可以看出，在靠近發射區的位置，溝槽柵IGBT的載子濃度遠高於平面柵IGBT。因此，在溝槽柵IGBT中，適當的溝槽寬度和間距可以提高N-區近表層載子濃度，進而降低漂移區電阻Rn-。

圖 5. IGBT 中的載子濃度分佈。

通道密度增加

與平面閘極IGBT相比，溝槽IGBT的垂直結構消除了在矽表面製作導電通道所需的面積，從而實現了更緊湊的單元設計。這意味著可以在相同的晶片面積內製造更多的IGBT單元，從而實現更寬的導電通道和更低的通道電阻。

儘管溝槽IGBT迅速崛起，平面閘極IGBT仍佔有一席之地。先行者並沒有落後，因為溝槽IGBT仍面臨諸多挑戰。

開挖光滑溝槽壁的技術難度較高。典型的溝槽柵IGBT的溝槽寬度僅1-2μm，深度必須達到4-5μm，甚至更深。溝槽的蝕刻製程採用酸腐蝕技術在矽表面進行，精確控制溝槽的寬度和深度極為困難。此外，溝槽壁必須盡可能光滑無缺陷，因為不平整的表面會影響擊穿電壓並降低完成率。溝槽底部的角落也必須非常光滑，否則電場會集中在該處，嚴重影響耐壓性能。由此可見，溝槽IGBT技術比平面柵IGBT技術難度高很多。

更寬的導電通道會增加IGBT短路時的電流。如前所述，溝槽型IGBT的高通道密度降低了通道電阻，但其相應的缺點之一是短路電流的增加。在最壞的情況下，短路電流可能非常大，以至於在很短的時間內損壞IGBT。為了使IGBT能夠承受長達10微秒的短路（在規定的測試條件下），需要非常仔細地設計通道寬度和相鄰單元，例如，透過增加單元之間的距離來減少每個單晶的有效單元數量。另一種方法是不將所有閘極連接到公共閘極，而是將某些單元的閘極與其射極短路。這種技術稱為插入合併單元技術。透過這種方法可以降低通道密度，從而降低短路電流並增強裝置的短路能力。