绝缘栅双极油管igb的发展与应用

绝缘栅双极油管igb的发展与应用

0igbt电力电子能源消耗与日俱增，尤其是能源需求的矛盾日益尖锐。大力发展新型能源设备已成为一个重要课题。igt是目前和将来小型、中型和大型能源电子装置的首选。特别是igdt模块及其计算机电路（ipm）与先进的asic和现场编程门矩阵（f）等智能控制相结合，以显著减少未来能源电子装置的体积。IGBT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IGBT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。IGBT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。1igbt的等效电路IGBT的基本结构分为平面结构(图1)和沟槽结构(图2)两种。图3是IGBT的等效电路。由图3可知,如在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则MOSFET导通;如IGBT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。2igbt的发展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。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年代出现了以门极可关断晶闸管(GTO)和巨型双极晶体管(GTR)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GTO的开关速度还是较低,GTR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(IGBT)为代表的功率半导体器件。IGBT是RCA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,IGBT已由第一代发展到了第6代(见表1)。表中,UCE(sat)为通态饱和压降,tr为关断时间。20世纪80年代初IGBT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IGBT,具备了MOS和双极的双重优点。但是,由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IGBT还不能使用。直到1986年,IGBT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IGBT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IGBT(PT-IGBT)、槽栅IGBT(TG-IGBT)、非穿通型IGBT(NPT-IGBT)、集电极短路IGBT(CS-IGBT)、透明集电极IGBT(TC-IGBT)、Si片直接键合IGBT(SDB-IGBT)、超快速IGBT、与快速恢复二极管结合的IGBT(IGBT-FRD)、三维集成霹雳型IGBT、逆阻型IGBT(RB-IGBT)、逆导型IGBT(RC-IGBT)、高电压低压降型IGBT、高频型IGBT、双向型IGBT、IGBT复合功率模块PIM、IGBT智能功率模块IPM等,其中向高压大电流发展的PIM、IPM正成为IGBT的发展热点,如PIM产品已达到1200～1800A/1800～3300V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IGBT模块为有源器件的电力电子积木FEBB,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IGBT的研究开发工作迟于国外十多年,虽然也曾研制出1000V/20ASDB-IGBT、1200V/20ASDB/IGBT、1050V/20APT-IGBT等样品,但至今尚未有IGBT产品投放市场。3igdt技术的最新技术3.1内透明集电极穿通型IGBT(PT-IGBT)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PT-IGBT在导通状态下如果保持集电极电流不变则集电极-发射极之间的电压VCEsat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PT-IGBT的并联使用,因为并联时如果其中一只IGBT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IGBT,使其温度越来越高以致烧毁。1988年,SiemensAG发明了透明集电区非穿通型IGBT(NPT-IGBT),采用了透明集电极技术,使NPT-IGBT具有与PT-IGBT相反的电压温度系数,即具有正温度系数,以利于IGBT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1μm的极薄的集电区直接连接到欧姆接触构成的。这样,在IGBT关断时存储在IGBT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IGBT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NPT-IGBT出现后几乎新出现的各种IGBT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IGBT来说,由于所需的Si片太薄(如耐压600V时Si片厚度100μm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”IGBT(图4)的结构与现有的PT-IGBT基本相同。不同之处是,新结构IGBT是在现有PT-IGBT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1～3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0.1～10μm,掺杂浓度为5×1016～5×1018cm-3;“局域载流子寿命控制层”的厚度为50nm～1μm,层中过剩载流子寿命为1～50ns。采用这种结构的NPT-IGBT,衬底仍然采用与PT-IGBT基本相同厚度的Si片,大大有利于加工,为制造1200V以下的NPT-IGBT提供了一种很好的方法。目前,这一新型结构的IGBT技术已由北京工业大学申请了专利。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Si片第二表面。3.2缓冲层掺杂p现有带缓冲区的IGBT,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提出了一种新的制造专利技术,即在IGBT的缓冲层中掺砷,用外延方法生长,掺杂浓度5×1017cm-3,厚度为2～10μm。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IGBT的结构如图5所示。3.3采用sic-igbt的导通方案尽管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5～10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。IGBT的新发展方向之一是SiC-IGBT。日本松下电器产生株式会社北真等人提出了一种新结构的SiCIGBT(图6)。这种IGBT包括p+-SiC衬底(1),外延n-SiC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-SiC层(3),以及从发射极(6b)端部下方到栅电极(6a)端部下方的n+-SiC层(4)。外延层的表面部分中除形成有n+-SiC层(4)外,还叠层形成了含高浓度N的n型掺杂层和非掺杂层的混合层(9)。在外延的n-SiC层(2)中,设了含高浓度(1×1018cm-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-IGBT,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IGBT。3.4igbt薄膜化方法在NPT-IGBT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IGBT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域的方法来达到使基板薄膜化的目的。当然,在NPT-IGBT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90μm;相对于1200V耐压,其漂移区域约130μm。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。日本柳田正道等人提出了一种使IGBT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,IGBT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IGBT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。4关于sic-igbtIGBT技术历经二十多年的发展,在结构设计