为提高IGBT的抗短路能力，进一步改善导通压降与抗短路能力相互制约的矛盾关系，研究了IGBT在短路过程中热点分布及变化规律，重点分析电场终止层 （Field-stop layer,简称FS）对热点的调控规律。分析得出：提高 FS 层掺杂剂量，热点会从正面 MOS 沟道转移至背面 FS/N⁻漂移区界面，大幅提升短路关断极限。
一、 FS-IGBT 短路机理与热点迁移规律
图1为典型的IGBT短路波形，在短路期间的每个阶段都存在失效风险，其中阶段2失效最为常见，为典型的芯片温度过高而失效；而阶段4失效比较少见，为关断后由于漏电流较高引起热升高，又正反馈导致更高漏电流，最终热逃溢而失效。
图1 IGBT短路过程各阶段介绍
固定背面硼注入剂量，图2为短路过程四个阶段芯片内部的热点分布变化，可以看到，IGBT的沟道区、背面FS/N-结附近及紧靠pbody耐压层存在热点，而最高温度点随着短路时间的增加在芯片内部各个热点间发生转移。
图2 IGBT短路期间的热点分布变化
在短路电流上升（阶段1），在沟道末端电流拥挤形成热点（图3a），该处温度高于背面；在阶段2，由于自热效应,短路电流开始逐渐减小，热点转移到FS/N-结附近（图3b）；在阶段3短路关断器件，短路电流下降，此时热点仍处于FS/N-结附近（图3c）;在阶段4，电流成功关断后，由于存在一定的漏电流及此时较高的芯片温度，形成正反馈，在短路关断后几十~几百微秒后，由于热逃逸短路电流再次抬起从而失效，此时热点由FS/N-结附近向芯片正面转移，当前条件下最高温度位于靠近pbody的耐压层内。
图3为IGBT芯片纵向温度分布曲线，可以看到芯片正背面温度分布变化，在整个短路期间最高温度在芯片内部正面和背面发生转移。
图3 短路不同阶段下IGBT芯片内部温度分布
二、 FS层对短路特性的影响
2.1 不同 FS 注入剂量下短路热点与温升特性
固定集电区硼注入参数，设置低、中、高三档FS层注入剂量开展对比仿真。图4不同FS注入剂量下短路波形，随着FS层注入剂量的升高，IGBT短路能力提升。
图4 不同FS剂量下的短路波形
图5为短路电流峰值后阶段2的芯片内部温度分布，从中可以看出，当FS注入剂量为0.5D时，热点位于沟道附近，当FS注入剂量超过4.0D时，热点转移到FS/N-结附近，即随着FS注入剂量的升高，阶段2的热点由芯片正面沟道附近转移到芯片背面FS/N-结附近。
图5 FS注入剂量对IGBT芯片热点分布影响
图6 芯片体内温度分布曲线
图6为芯片内部温度曲线，W为芯片厚度，从中可以看出，当FS层注入剂量较低时，芯片元胞区和N-漂移区温度较高，而FS层注入剂量较高时，FS/N-结附近温度较高，且随着FS层注入剂量的增加，FS/N-结热点温度升高，相反元胞区和N-漂移区温度下降。
本文通过TCAD仿真阐述了IGBT在短路期间芯片内部的热点分布及变化；仿真表明，FS层注入剂量的变化，会改变热点在芯片正面和背面的位置变化，从仿真得出，芯片设计时应避免短路过程中热点过早集中到芯片元胞处，以免造成因过热提前失效。
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