回顧 LIGBT 的發展

LIGBT 存在兩個主要缺點。一是元件內部寄生的 NPN 電晶體，當元件電流 高至某值時便會使元件內部寄生的NPN 電晶體導通形成元件內部正回授效果，

造成元件完全導通無法控制，此現象稱為閂鎖效應（Latch-up）。另一缺點為當 元件由導通切換至截止（Cut-off）時，大量的少數載子只能藉由複合及擴散而緩 慢消退，延緩了元件關閉的時間，而這些少數載子殘留的問題，限制了元件的操 作速度。

2.3.1 閂鎖效應的防治

LIGBT 一旦發生閂鎖效應則失去控制電流的能力。其成因在於 P+陽極注入 漂移區的電洞流經過 N⁺陰極下方的區域產生壓降造成寄生 NPN 電晶體（N⁺ cathode, P-base, N-drift region）的導通，並且與橫向 PNP 電晶體（P⁺ anode, N-drift, P-base）形成正回授的效果引發極大的電流。以下就以改善上述問題的元件結構 進行說明。

（1） P 型井和埋藏層結構（P⁺ sinker and P-buried layer structure）

圖2.2 P 型井與 P 埋藏層結構圖

如圖 2.2 的結構所示[7]，元件利用加入 P⁺ sinker 層的重摻雜濃度以降低 P

基極（P-base）層的阻值，而 P 基極層下方為 P 型埋藏層（P-buried layer），主要 用來吸引電洞流經此處，導向P⁺ sinker 層，而流經 P 基極層的電流則變少，減少 導通寄生NPN 電晶體 B-E 兩端的電壓降，以降低閂鎖效應的發生。然而，這樣 結構會多增加P⁺ sinker 層與 P 型埋藏層兩道光罩。

（2）自行對準溝槽式結構（Self-aligned trench structure）

圖2.3 自行對準溝槽式結構圖

在圖2.3 的結構中[8]，元件在 N⁺陰極端形成氧化層後，利用蝕刻（Etching）

的方式，形成一個垂直凹槽，使得陰極端金屬層可以同時接觸到N⁺與P-base 層，

縮短了電流流經 P-base 層的距離而減少電壓降，由於其製程使用自行對準

（Self-aligned）技術，所以並不需要另加光罩。

（3）溝槽式閘極結構（Trench Gate Structure）

圖2.4 溝槽式閘極結構圖

圖 2.4 所示為溝槽式閘極結構[9]，元件結構中，將陰極端與閘極端交換位 置，利用改變電流路徑的方法，使其電流並不需要經由 P-base 電阻而是直接到 達陰極，如此一來便不會產生使寄生NPN 電晶體導通的 0.7V 電壓降，閂鎖效應 便獲得改善。然而，此種元件結構在閘極製程上的準確度，是比較不容易掌控的 部分。

2.3.2 操作頻率提升

LIGBT 元件由導通切換至關閉的時候，大量的少數載子藉由複合與擴散而 緩慢消退，延緩了元件關閉的時間。由於沒有路徑可以快速疏通遺留下來的少數 載子，限制了元件的操作速度，導致 LIGBT 無法在高頻操作。以下便對可改善 上述現象的元件結構進行說明。

（i）陽極短路結構（Shorted anode structure）

圖2.5 陽極短路結構圖

在圖2.5 的結構中[10]，為了加速移除少數載子的殘留，在 P⁺陽極旁邊多加 一個N⁺的區域。在未加入N⁺陽極的情況下，當元件從導通切換至關閉時，少數 載子會殘留於漂移區，此時並無一順向PN 接面路徑提供少數載子移除，只能靠 復合與擴散電流慢慢消退。所以當加入 N⁺陽極的時候，便提供了少數載子由漂 移區（N-drift region）經過 N 型緩衝層（N-buffer layer）到達 N⁺陽極的路徑來移 走，藉此提升元件切換速度。此種元件結構的優點在於製程上不需要再額外加入 光罩。

（ii）蕭特基陽極結構（Schottky Injection FET，簡稱 SINFET）

蕭特基陽極結構主要是將陽極的 PN 接面置換成蕭特基二極體（Schottky Diode），此元件被稱為 SINFET[11]。元件導通時，蕭特基接面會注入適量少數 載子來傳導調變，所以當元件切換至關閉的時候，由於累積的少數載子受到傳導 調變作用並未累積太多，因而減少移走少數載子的時間，提升元件操作速度。另 外由於蕭基接面順向跨壓較傳統元件小，所以也降低了元件導通時所消耗的功 率。

（iii）間斷式陽極結構（Segmented anode structure）

圖2.6 間斷式陽極結構圖

圖2.6 所示為間斷式陽極結構圖[12]，此種結構是由傳統 LIGBT 的元件結構 沿著寬度方向，將部分的P⁺陽極置換成N⁺陽極便形成間斷式陽極結構。當元件 由導通切換至關閉時，N⁺陽極區域提供了少數載子由漂移區經過 N 型緩衝層移 走的路徑，使得元件切換速度獲得改善。此種結構還有其他優點，即移除電子所 使用的N⁺陽極面積較小，因此使得元件所需的面積得以減少。

2.4 元件耐高壓與操作原理