IGBT综述分析

1、IGBT发展综述引言由于电能的广泛应用，所以与之相关的功率处理器件应运而生。作为电力电子器件发展的核心，功率半导体器件在相当大的程度上决定了各种电力电子体系的运作可靠性以及实现所需成本，因而成为现代电力电子技术发展的重要环节之一。电力电子技术是一门应用在电力领域的新兴电子技术，就是利用电力电子器件（如晶闸管、IGBT、MOSFET等）对电能进行变换与控制的技术。自1957年美国GE公司研制出世界上第一个工业晶闸管开始，电力电子技术得到了迅猛的发展，在当前信息化和工业化社会中，电能的利用无处不在，小到家庭的照明系统，大到机车的牵引，电力电子技术因其功能特征具有高效节能、智能便捷而得到越来越多的应

2、用，在世界范围内，用电总量经过电力电子装置变换和调节的比例已经成为衡量用电水平的重要指标。功率半导体器件作为电力电子技术的基础，其主要用于电力系统的传输、变换、配送，机车牵引，工业节能，以及智能电路控制系统。自半导体器件发明以来，依次出现了功率二极管、功率三极管、晶闸管、可控硅、MOSFET、IGBT、CoolMOS等4，根据其工作方式的不同，主要分作两大类：其中一类是门极电流来驱动的器件，其主要代表是晶闸管、可控硅等；另外一类是新型的门极电压控制器件，其主要代表是MOSFET、IGBT等，这种新型器件驱动电路简单，能实现较高的工作频率。在其主要范围和应用领域内具有各自的优势。从以往电力电子技

3、术的发展历史可以看出，功率电子技术是随着理论研究的提高与制造工艺技术的革新而迅速发展的。自1982年，通用电气公司和美国无线电公司为解决MOSFET在高压应用时导通损耗与耐压水平之间的矛盾而提出了绝缘栅双极晶体管（InsulateGateBipolarTransistor,IGBT）的结构。为了更进一步改善IGBT的性能，研究人员针对IGBT的三个重要结构，即MOS结构、N型基区（包括N+缓冲层）和P+集电极区，考虑了能够提高器件电特性参数的改进方，尤其是在改善正向饱和压降VCE（sat）和关断时间如之间的折中关系方面不遗余力。IGBT提出以来，已经历三十几年的快速发展，各大科研机构及功率半导

4、体公司争先投入巨额资金开发IGBT器件。随着工艺水平的不断提高以及工艺设备的不断更新与换代，其电性能参数与可靠性也日趋完善。针对不断发展起来的IGBT产品，人们多以各阶段VcE（sat）和t°ff的典型值作为划分的依据。1.按照漂移区的发展历程IGBT最早出现的产品是PT-IGBT（punch-throughIGBT，穿通型IGBT）,它是在较厚的高浓度P+衬底上外延生长一层N+缓冲层，再外延生长一层N-层，然后在外延层N-的表面制作MOS结构部分，最终形成PNPN四层结构8由于PT-IGBT的N-外延层厚度比较小，器件发生击穿之前，N-区完全耗尽，电场在N+缓冲层截止，最后器件击穿

5、时，器件纵向电场呈梯形分布，因此这种用外延层工艺制造的IGBT器件称为PT-IGBT，这种穿通型器件唯一的优点是正向压降很低。PT-IGBT的硅片外延层较厚，制造工艺复杂，价格比较高，并且PT-IGBT的P+集电区厚度很大，浓度高，器件正向工作时，空穴注入效率很大，直接导致器件关断时的拖尾电流和关断时间很大。为了解决这一问题，需要采用寿命控制技术，这就导致PT-IGBT的正向压降具有负的温度系数，这对器件的并联是不利的。并且高温情况下，器件容易烧毁。因此，PT-IGBT适合于低频低温条件下工作。NPT-IGBT（NonPunchthrough-IGBT,非穿通IGBT）是使用FZ硅在正面制作M

6、OS结构后，将背面减薄至所需要的厚度，再进行背部B离子注入，形成P型集电极，最终形成PNPN四层结构，与PT-GBT名字由来相同，NPT-IGBT结构在器件正向阻断击穿时，未耗尽至P集电极区，电场在N-漂移区截止，纵向电场呈三角形分布，因此称为非穿通型IGBT。NPT-IGBT结构背部采用离子注入的方式，并且退火温度很低，形成的P型集电极区的浓度和厚度很低，这样器件正向导通过程中，集电极空穴注入效率很低，IGBT关断过程中，N-区的载流子可以很快的复合掉，这有利于提高器件的开关速度。NPT-IGBT具有正温度系数，易于器件的并联。因此，NPT型IGBT结构的出现是功率器件的重大突破，它使得相互

7、矛盾的各个参数性能得到全面的改善，使得器件能够运用到高温高功率领域，具有较高的可靠性，完美解决了PT型IGBT的不足。随着器件耐压的提高，NPT型IGBT结构的芯片厚度较大，导致器件的导通电阻及开关损耗增大。PT型IGBT芯片因为具有电场截止层而具有较低的正向压降，所以，在NPT结构的基础上也采用电场截止层即FS层，可以有效的降低芯片的正向压降和开关损耗，这种器件称为FS-IGBT。工艺上，FS-IGBT使用的是FZ硅片，在制造正面MOS部分前，通过离子注入或者扩散的方法形成背部N-buffer层，最后背部B离子注入，最终形成PNPN四层结构,FS-IGBT兼具了NPT型与PT型IGBT的优点

8、，制造方法不是像PT型器件那样做在P+衬底上，而是使用统一的FZ硅片，采用透明集电区技术，因而集电极的发射效率很低，而不需要像PT-IGBT那样采用寿命控制技术。因此，FS-IGBT的工作更类似NPT-IGBT而不是PT-IGBT，具有正温度系数，易于器件并联。然而FS-IGBT的工作性能并不是那么完美，FS-IGBT正向工作时N-buffer层存储的载流子浓度较小，器件关断时，器件耗尽到N-buffer层时，抽取的载流子浓度减小，电流迅速下降，产生较高的di/dt，这种电流的突变会产生较高的电压过冲，甚至对器件产生损坏。为了改善器件关断过程中产生的高的电压过冲，在器件FS层进行优化改进，采用

9、软穿通(SPT)结构。SPT结构的缓冲层采用扩散工艺，缓冲层的厚度较大，浓度低，并且浓度变化梯度较小，因此器件正向导通过程中由N-区过渡到N+缓冲层的载流子浓度变化较小，当器件关断过程中电流变化较小，从而降低了过冲电压，使得电流下降区域与拖尾点更加平稳，改善器件EMC特性。2.按MOS结构来划分IGBT可分为平面型IGBT和沟槽栅IGBT两种，前者具有更低的饱和电流，因而短路能力更好，然而，后者的正向导通电阻Ron中没有JFET电阻，正向导通压降较低。Trench-FS型IGBT有效结合了两种技术的优势，将沟槽栅结构与场终止结构做在了同一器件中，不仅导通损耗低，抗闩锁能力得到了进一步增强，而且

10、短路能力也有所提高，此外，一些最新的产品还通过优化电场截止缓冲层等方式，大幅提高了相关的优良指数，比如，富士公司第六代V系列IGBT、英飞凌公司第五代Trench-stop系列等。近年来，随着工艺水平的不断发展，发射极载流子浓度增强技术也在不断的发展。2010年ManabuTakei等人通过在p-base层下方引入埋氧化层的方式提出了DB(DielectricBarrier)IGBT结构，埋人器件p-base层下方的氧化层直接将大部分p-base层和N型漂移区隔离开来。在正向导通时，埋氧层直接阻止空穴流向p-base层，从而在埋氧层下形成空穴的积累达到载流子浓度增强的效果。2012-2013年

11、MasakiyoSumitomo等人连续报道了通过优化沟槽刻蚀工艺实现的PNM(PartiallyNarrowMesaStructure)IGBT结构，并通过应用双栅控制技术对器件性能进行了优化，获得了优异的正向导通压降和关断损耗的折中该结构具有上细下粗的沟槽栅结构，从而在不需要进一步减小沟槽栅间距的情况下实现了栅极下方空穴的积累，实现了载流子浓度增强的目的。2013年JunHu等人通过利用沟槽提供的电场屏蔽作用实现了高性能的平面栅发射极载流子增强结构，并获得了小的栅电容和大的短路安全工作区。同时，为了改善传统CSTBT结构载流子存储层掺杂浓度与器件耐压之间的矛盾关系，进一步优化正向导通时漂移

12、区的载流子浓度分布，在传统CSTBT结构的基础上笔者进一步提出了具有P型埋层结构的CSTBT结构。3. 集电极工程技术和逆导型IGBTIGBT的关断过程就是IGBT基区中存储的大量过剩载流子的复合和抽取过程。如果能够降低基区中存储的过剩载流子数目并在器件关断时提供载流子的抽取通道，则显然能够有效的减小器件的关断时间，当然这在一定程度上会减弱器件正向导通时的电导调制效应，增加正向导通压降。降低器件集电极注入效率是减小基区中存储的过剩载流子数目的有效手段。透明阳极技术正是这样一种集电极(阳极)工程技术。在传统IGBT结构的基础上，通过采用较低的集电极掺杂浓度和较薄的集电极厚度，透明阳极结构可显著改

13、善器件的关断特性，减小关断损耗。由于透明阳极结构的集电极掺杂浓度较低，在实际工艺中可能存在集电极的欧姆接触问题，为了改善这一特性在传统透明阳极结构的基础上又进一步发展了双缓冲层阳极、StripedAnode和SegmentedN+P/P+Anode(SANPN)例等新结构。另一类重要的集电极工程技术是阳极短路(AnodeShorted)结构°°8|。与透明阳极结构相比，阳极短路结构直接将部分集电极掺杂由P型改为n型，使漂移区与集电极相连。n+区一方面可以在正向导通时有效降低集电极发射效率，另一方面在反向恢复时可以抽取器件漂移区中存储的过剩载流子以加快器件的关断过程，从而改善

14、器件的性能。然而对于传统的阳极短路结构，正向导通时的snapback现象是困扰其应用的主要问题，为了改善snapback现象，通过在nbuffer或漂移区中引人与n+区串联的JFET电阻,笔者所在小组提出了n-region-controlled阳极和双阳极等器件新结构。所提出的结构较好地解决了传统阳极短路结构的snapback现象，并可获得好的器件关断特性，以及正向导通压降和关断损耗的折中。在现代电力电子系统中，IGBT通常需要与反并联的快恢复二极管(FastRecoveryDiode)配合使用。因此将IGBT与FRD单片地集成在同一硅片上的逆导型IGBT(ReverseConductingI

15、GBT)得到了广泛的关注。逆导型IGBT在结构上与阳极短路结构基本相同，所不同的是逆导型IGBT需要工作在IGBT和FRD两种模式下。与阳极短路结构相似，传统RCIGBT在正向导通时也存在snapback的问题，在低温时这一现象会更加明显，甚至会导致器件无法正常开启。为了抑制RCIGBT的snap-back现象并获得好的二极管特性，业界已提出了多种器件结构，如BIGT(BimodeInsulatedGateTransistor)、SJRCIGBT浮空P区槽氧RCIGBT、双NPNRC-IGBT、浮空P-plugRCIGBT和具有反平行肖克莱二极管的RCIGBT等，近年来，随着RCIGBT的发展

16、，新的效应或工作机制被引入到RCIGBT结构中，如具有带间遂穿效应的RCIGBT以及集电极具有二极管连接MOS结构的RCIGBT等。具有带间遂穿效应的RCIGB通过将带间遂穿效应引入RCIGBT，不仅大大简化了器件的背面工艺而且可以获得软的二极管反向恢复特性。集电极具有二极管连接MOS结构的RCIGBT巧妙的通过双面光刻技术在背面引入具有二极管连接的MOS结构，在不增加外接电极的情况下可以完全消除snapback现象，并可获得好的IGBT和FRD特性。4. 新材料IGBT技术除硅基IGBT外,SiC材料已被用于IGBT的研制。1999年美国Cree公司的R.Singh等人首次在N型SiC衬底上

17、制备了SiCp-IGBT器件。2005年,Cree公司的Q.Zhang等人报道了10kV沟槽型4H-SiCp-IGBT，获得了较好的实验结果，分别在25°C和1500C下获得了一7.5V和一4V的开启电压以及175mQ.cm2和13mQ.cm2的比导通电阻，30A/cm2电流密度下的正向导通压降约为一12V,这是实验获得的首个10kV电压等级的SiCIGBT器件。2007年，美国Purdue大学YSui等人研制了阻断电压高达20kV的4HSiC平面型p-IGBT，器件的P一区厚175卩m，在300w/cm2封装功率密度的限制下，其最大电流比相同电压等级4H-SiCMOSFET的理论最

18、大电流高1.2倍(室温)和2.1倍(177C)。2010年，Purdue大学XWang等人研制了阻断电压高达20kV的传统平面结构4HSiCnIGBT，在300W/cm2封装功率密度的限制下，获得了27.3A/cm2的正向电流和177mQ-cm2的比导通电阻。2012年Cree公司也报道了15kV的SiCP沟IGBT和12.5kV的SiCN沟IGBT。随着器件性能的提升，2013年美国北卡州立大学的AKadavelugu等人基于Cree公司的4HSiCnIGBT和PIGBT相继制备了SiCIGBT模块并搭建了互补逆变器，展示了SiCIGBT模块的性能优势。随着SiC材料生长技术的进一步完善，SiCIGBT也将走向实用化。5. 国内发展现状国内在“八五”科技攻关中即安排了IGBT的研发，并制备出样品，但此后，我国IGBT产业的发展非常缓慢，仅有少量IGBT模块生产，没有IGBT芯片的国产化。近几年，在国家政策特别是国家科技重大专项的推动及市场牵引下，我国IGBT产业得到了迅速发展，呈现出大尺寸Fz单晶材料、IGBT芯片工艺和IGBT模块封装技术全面蓬勃发展的大好局面。天津中环半导体股份有限公司研制的6英寸Fz单晶材料已批量应用，在国家“02”科技重大专项的推动下，8英寸Fz单晶材料已取得重大突破；电磁灶用1200VNPT型IGBT已由多家企业批量供货，