IGBT综述分析

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、Cool MOS 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（Insulate Gate BipolarTransistor，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V CE(sat)和关断时间t off 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

V CE(sat)和t off 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-through IGBT，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（Non Punch through-IGBT,非穿通IGBT）是使用FZ 硅在正面制作MOS 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–IGBT 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，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R ON 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(Dielectric Barrier)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Masakiyo Sumitomo等人连续报道了通过优化沟槽刻蚀工艺实现的PNM(PartiallyNarrow Mesa Structure)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