IGBT技术发展综述

1、IGBT技术发展综述IG BT技术发展综述叶立剑,邹勉,杨小慧(南京电子器件研究所,南京210016)摘要:绝缘栅双极晶体管(IG BT)自问世以来,在结构设计、加工工艺和应用开发等方面得到了很大的发展。概述了IG BT的一般结构和发展历史,着重介绍了近年来几个专利技术中IG BT结构设计和制造方面的新进展。特别是宽禁带半导体材料SiC的异军突起,为IG BT技术开辟了一个新的发展空间。关键词:绝缘栅双极晶体管;专利;碳化硅;掺砷中图分类号:T N389 文献标识码:A 文章编号:10032353X(2008)1120937204R evie w on Development of IGBT

2、TechnologyY e Lijian,Z ou Mian,Y ang X iaohui(Nanjing Electronic Devices Institute,Nanjing210016,China)Abstract:Since insulated gate bipolar transistor(IG BT)appeared,its structure design,processing and application are developed greatly.The general structure and developed history of IG BT are briefl

3、y described and new progress for its structure design and manu facture related to several patent technologies in recent years are introduced.S pecially,a new developing domain is opened up for IG BT technology because the wide2bandgap semiconductor SiC is coming to the fore.K ey w ords:IG BT;patent;

4、SiC;As2dopingEEACC:26500引言能源消耗日益增大,特别是电力的需求矛盾日趋尖锐,大力发展新型电力电子器件已成为一项重要课题,IG BT是现在乃至将来小型化、低噪声、智能化和高性能的中、小容量电力电子装置的首选器件,尤其是IG BT模块及电脑电路一体化的智能功率模块(IPM)与先进的ASIC和现场可编程门阵列(FPG A)等智能控制相结合,将使未来电力电子装置的体积大为缩小。IG BT是目前发展最快的一种混合型电力电子器件,它具有MOS输入、双极输出功能的MOS、双极相结合的特性,既有MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高、开关损耗小的优点,又具有双极

5、功率晶体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点,在高压、大电流、高速三方面是其他功率器件不能比拟的,因而是电力电子领域理想的开关器件。其不足之处是高压IG BT内阻大、导通损耗大,并且过压、过热、抗冲击、抗干扰等承受力较弱,往往需要附加保护电路。IG BT主要应用于低噪音电源、逆变器、不间断电源UPS以及电动机变频调速等领域。除民用外,在航空、航天等军事领域也得到了广泛的应用。1IG BT的基本结构IG BT的基本结构分为平面结构(图1)和沟槽结构(图2)两种1。图1平面IG BT结构Fig11Planar IG BT structure趋势与展望Outlook and Future

6、图3是IG BT的等效电路。由图3可知,如在IG BT的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则MOSFET导通;如IG BT的栅极和发射极之间电压为0V,则MOSFET截止,也使得pnp晶体管截止。图2沟槽IG BT结构ig12T rench IG BTstructure图3IG BT等效电路图ig13IG BT equivalent circuit2IG BT技术的发展历史从功率半导体器件的发展历史来看,大致经历了四个发展阶段124。第一阶段是以20世纪50年代出现的可控硅(SCR)为代表,其优点是功率容量大,但缺点是开关速度低、关断不可控,限制了它的应用。第二阶段是20世纪70年代出现了以门极

7、可关断晶闸管(G T O)和巨型双极晶体管(G TR)为代表的产品,它们都是自关断器件,开关速度有了一定提高,控制电路也得到了简化,但G T O的开关速度还是较低,G TR还存在二次击穿等问题,而且它们都存在驱动电流大、功耗损失大的问题。第三阶段是20世纪70年代末出现了以功率场效应晶体管VDMOS和静电感应晶体管SIT为代表的产品,虽然开关速度快、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单,但导通电阻大仍然限制了它们的电流容量和导通容量,特别是500V以上时,VDMOS 的导通电阻大是不容忽视的问题。由此,至20世纪80年代即诞生了以绝缘栅双极晶体管(IG BT)为代表的功率半导体器件。IG BT

8、是RC A公司和GE公司1982年提出的,于1986年开始正式生产并逐渐系列化,其制造工艺和器件的参数不断改进和提高。至今,IG BT已由第一代发展到了第6代(见表1)。表中,U CE (sat)为通态饱和压降,t r为关断时间。表1几代IG BT的变迁与特性改进T ab11Changes and characteristic improvement of several generation IG BT s代别技术特点芯片面积(相对值)设计规划/m U CE(sat)/V t r/s功率损耗(相对值)出现时间/年第1代平面穿透型(P1PT)100531001501001988第2代改进的平面

9、穿透型(P1PT)5652180130741990第3代沟槽型(trench)4032100125511992第4代非穿透型(NPT)3111150125391997第5代电场截止型(FS)270151130119332001第6代沟槽型电场2截止型(FS2T rench)24013110011529200320世纪80年代初IG BT刚问世时,由于设计者非常巧妙地将VDMOS的n+衬底换成了p+衬底,引入pn结注入机制,使高阻n-漂移区产生电导调制效应,从而大大降低了导通电阻。在VDMOS的基础上,进行这一小小变动就形成了MOS和双极相结合的IG BT,具备了MOS和双极的双重优点。但是,由

10、于器件结构内部存在pnpn晶闸管结构,使器件产生“闭锁”效应,导致栅失控。同时,由于n-漂移区存在非平衡载流子的注入,器件的开关速度受到影响,故早期的IG BT还不能使用。直到1986年,IG BT在解决了结构和工艺技术上的一些问题(如加入n+缓冲层、元胞设计等)后才真正得到了应用。随着IG BT技术的不断发展,其结构设计和工艺技术也发生了较大的变化,得到了不断改进和创新。在超大规模集成电路和功率器件技术的基础上,出现了分层辐照、薄片加工等特殊的加工技术,产品的技术性能也得到了很大提高。先后相继开发出平面穿通型IG BT(PT2IG BT)、槽栅IG BT (TG2IG BT)、非穿通型IG

11、BT(NPT2IG BT)、集电极短路IG BT(CS2IG BT)、透明集电极IG BT(T C2 IG BT)、Si片直接键合IG BT(S DB2IG BT)、超快速IG BT、与快速恢复二极管结合的IG BT(IG BT2 FRD)、三维集成霹雳型IG BT、逆阻型IG BT(RB2 IG BT)、逆导型IG BT(RC2IG BT)、高电压低压降型IG BT、高频型IG BT、双向型IG BT、IG BT复合功率叶立剑等:IG BT技术发展综述模块PI M、IG BT智能功率模块IPM等,其中向高压大电流发展的PI M、IPM正成为IG BT的发展热点,如PI M产品已达到12001

12、800A/18003300V的水平。IPM除用于变频调速外,600A/ 2000V的IPM已用于电力机车VVVF逆变器。美国海军开发出以IG BT模块为有源器件的电力电子积木FE BB,用于舰艇上的导弹发射装置。日本富士公司和三菱公司已经制成了将控制器、驱动电路、功率变换器集成为一体的微型变频器。美国一家公司推出的变频调速电机也将变频器装入电机中,成为真正的智能电机。国内IG BT的研究开发工作迟于国外十多年,虽然也曾研制出1000V/20A S DB2IG BT、1200V/ 20A S DB/IG BT、1050V/20A PT2IG BT等样品,但至今尚未有IG BT产品投放市场。3IG

13、 BT技术的新进展311内透明集电极IG BT穿通型IG BT(PT2IG BT)在制造过程中必须用高能离子辐照减小Si中过剩载流子寿命来提高开关速度,但这种方法造成了PT2IG BT在导通状态下如果保持集电极电流不变则集电极2发射极之间的电压V CEsat随温度升高而下降,就是常说的具有通态电压负温度系数,不利于PT2IG BT的并联使用,因为并联时如果其中一只IG BT所分流的电流偏大一些,热电正反馈效应就会使电流越来越集中于这一只IG BT,使其温度越来越高以致烧毁。1988年, Siemens AG发明了透明集电区非穿通型IG BT (NPT2IG BT),采用了透明集电极技术,使NP

14、T2 IG BT具有与PT2IG BT相反的电压温度系数,即具有正温度系数,以利于IG BT的并联使用。所谓“透明集电极”技术,是指集电极是由掺杂浓度较低而且厚度不到1m的极薄的集电区直接连接到欧姆接触构成的。这样,在IG BT关断时存储在IG BT 基区中大量过剩电子能够以扩散流方式穿透极薄的集电区流出到欧姆接触处消失掉,使IG BT迅速关断(或开通),不需要用高能粒子辐照来提高开关速度。所以,自从NPT2IG BT出现后几乎新出现的各种IG BT基本都采用透明集电极技术。但是,这种结构对大量应用的耐压在1000V以下的IG BT来说,由于所需的Si片太薄(如耐压600V时Si片厚度100m

15、以下),在制造过程中极易发生翘曲、碎片,难以加工。而“内透明集电极”IG BT5(图4)的结构与现有的PT2IG BT基本相同。不同之处是,新结构IG BT是在现有PT2IG BT结构中的p+层Si衬底层与n型Si缓冲层之间加入了“内透明集电极”。“内透明集电极由一层掺杂浓度低于p+型Si衬底层的p型“内透明集电区层”和13层所谓“局域载流子寿命控制层”组成。p型“内透明集电区层”的厚度为01110m,掺杂浓度为5101651018cm-3;“局域载流子寿命控制层”的厚度为50nm1m,层中过剩载流子寿命为150ns。采用这种结构的NPT2IG BT,衬底仍然采用与PT2IG BT基本相同厚度

16、的Si片,大大有利于加工,为制造1200V以下的NPT2IG BT提供了一种很好的方法。目前,这一新型结构的IG BT技术已由北京工业大学申请了专利。图4内透明集电极IG BTFig14Internal transparent collector IG BT图4中,1为集电极金属化层;2为p+型Si衬底层;3为n型Si缓冲层;4为n-型Si基区层;5为p型Si体区;6为n型Si发射区;7为SiO2栅氧化层;8为多晶Si栅电极;9为发射极金属化层; 10为内透明集电区层;11为局域载流子寿命控制层;12为Si片第一表面;13为衬底与内透明集电区交界面;14为内透明集电区与缓冲层交界面; 15为S

17、i片第二表面。312掺As缓冲层IG BT现有带缓冲区的IG BT,包括半导体衬底、集电极、发射极、栅极绝缘层和栅极。半导体衬底包括p型集电区、n+型缓冲区、n型基区、p型基区和n型发射区。这里,n+型缓冲区虽然可以抑制“闭锁”效应的发生,提高器件的可靠性,但由于缓冲区通常是通过掺P来形成的,在高温下P十分容易扩散,所以缓冲层掺杂浓度较低并且较厚,影响到其中空穴复合消失所需的时间,造成尾电流较大,开关速度较慢。日本三垦电气株式会社鸟居克行等人6提出了一种新的制造专利技术,即在IG BT的缓冲层中掺砷,用外延方法生长,掺杂浓叶立剑等:IG BT技术发展综述度51017cm -3,厚度为210m

18、。As 比P 的扩散系数小得多,而As 的固溶度大于P 的固溶度,且缓冲层是采用外延的方法生长的,因此可以使缓冲层较薄而且掺杂浓度较高,这样可以有效减少其中载流子复合的时间,提高开关速度。掺As 缓冲层IG BT 的结构如图5所示。图5掺As 缓冲层IG BTFig 15D oped As bu ffer layer IG BT图6S iC 2IG BT 结构图Fig 16S iC 2IG BT structure313SiC IG BT尽管SiC 材料的低场载流子迁移率不高,但是它的击穿电场特别强,是Si 的510倍,禁带宽度是Si 的3倍,电子饱和漂移速度是Si 的2倍,热导率是Si 的3

19、倍。SiC 器件能满足500以上温度工作的需要,特别适于制作高频、高速、高压、高功率器件。IG BT 的新发展方向之一是SiC 2IG BT 。日本松下电器产生株式会社北真等人7提出了一种新结构的SiC IG BT (图6)。这种IG BT 包括p +2SiC 衬底(1),外延n 2SiC 层(2)(漂移区),栅极绝缘膜(5),栅电极(6a ),将栅电极(6a )包围起来的发射极(6b ),集电极(6c ),p 2SiC 层(3),以及从发射极(6b )端部下方到栅电极(6a )端部下方的n +2SiC 层(4)。外延层的表面部分中除形成有n +2SiC 层(4)外,还叠层形成了含高浓度N 的

20、n 型掺杂层和非掺杂层的混合层(9)。在外延的n 2SiC 层(2)中,设了含高浓度(11018cm -3)N 、厚度约100nm 的两个高浓度掺杂层(7a )和(7b ),(7a )和(7b )间的间隔约500nm 。这种结构的SiC 2IG BT ,当其导通时,不仅有电子流,还有空穴流,降低了导通电阻,提高了截止时的耐压,但在切换速度和导通损耗方面略有损失。据称,这种结构适于制作几千伏高耐压IG BT 。314基板薄膜化IG BT在NPT 2IG BT 结构中,降低导通电阻是要达到的目标,而对电阻成分贡献最大的是IG BT 的衬底基板。因此,为了有效地降低基板电阻,往往采取研磨基板集电极区

21、域的方法来达到使基板薄膜化的目的。当然,在NPT 2IG BT 中,除了导通电阻的最佳化,也要考虑耐压。例如,相对于600V 耐压,其漂移区域约90m ;相对于1200V 耐压,其漂移区域约130m 。随着基板的薄膜化,其机械强度大大减弱,在加工过程中的热处理时,还很容易发生翘曲变形,晶圆尺寸愈大,翘曲变形愈严重。日本柳田正道等人8提出了一种使IG BT 基板薄膜化的新结构,其主要的发明之处是在基板的集电极区域一侧用半导体工艺蚀刻形成一个喇叭状的开口部,IG BT 基板的实际厚度对应于开口部的深度而变薄,集电极区域不是沿着开口部形成在整个基板面上,而仅仅形成在开口部的底部,因为背面集电极仅与开

22、口部的底部电连接。这样,集电极区域部分的衬底基板薄膜化了,但整个衬底基板的厚度并没有减薄。图7是此结构的IG BT 的示意图。图中:1为衬底基板;2为漂移区域;3为基极区域;4为发射极区域;5为栅极氧化膜;6为栅极;7为绝缘膜;8为发射极;9为开口部;10为集电极区域;11为集电极。图7基板薄膜化IG BTFig 17Substrate film thinization IG BT(下转第951页)叶立剑等:IG BT 技术发展综述通过缩小图像尺寸的方法制造图像间亚像素位移,采用不同大小的计算窗口确定了计算窗口选择在曲面拟合亚像素法中的重要性。设计了一套实验方案,通过启用吹气装置,消除了图像模

23、糊与图像间整像素级的抖动,把图像的绝对抖动量控制在了0013像素范围内,可以满足基板与芯片凸点的对准精度要求,为热超声倒装工艺提出了有价值的参考。参考文献:1曹长江,张琛,李振波,等.微装配系统中精密地位装置的研制J.上海交通大学学报,2000,34(11):148221485.2雷源中,雒建斌,丁汉,等.先进电子制造中的重要科学问题J.中国科学基金,2002,16(4):2042209.3NARE N V.Application of microcom puter in submicron levelmeasurements and control of a positioning devi

24、ceJ.Journal of M icrocom puter Applications,1995,18(2):1492164.4李建平,邹中升,王福亮.热超声倒装键合机视觉系统的设计与实现J.中南大学学报(自然科学版),2007,38(1):1162121.5殷兴良.气动光学原理M.北京:中国宇航出版社,2003.6谢盛华,张启衡,宿丁.基于APEX方法的湍流退化图像复原算法J.光电工程,2007,34(2):88292.7陶青川,邓宏彬.基于小波变换的高斯点扩展函数估计J.光学技术,2004,30(3):2842288.8于起峰.基于图像的精密测量与运动测量M.北京:科学出版社,2002.9潘兵,谢惠民,戴福隆.数字图像相关中亚像素位移测量算法的研究J.力学学报,2007,39(2):2452252.(收稿日期:2008207208)作者简介:张丽娜(1983),女,湖南常德人,硕士研究生,研究方向为微电子封装、数字图像处理;韩雷(1955