IGBT芯片技術(shù)發(fā)展概述

IGBT芯片技術(shù)發(fā)展概述摘要：回顧IGBT芯片技術(shù)的發(fā)展歷程，從最開(kāi)始發(fā)明，經(jīng)過(guò)不斷研究，目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在工業(yè)控制、電動(dòng)汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)、變頻家電中。本文著重介紹了IGBT芯片技術(shù)發(fā)展歷程中，不同時(shí)期解決的技術(shù)難題，包括閂鎖問(wèn)題、IGBT關(guān)斷拖尾、降低飽和壓降等，以及未來(lái)的發(fā)展展望。關(guān)鍵字：IGBT;RC-IGBT;CS-TBT;SJ-IGBT;SIC-IGBTOverviewofIGBTchiptechnologydevelopmentAbstract:ReviewingthedevelopmenthistoryofIGBTchiptechnology,aftercontinuousresearchfromthebeginning,ithasbeenwidelyusedinindustrialcontrol,electricvehicles,railtransit,smartgridandfrequencyconversionequipment.ThisarticlefocusesonthetechnicalproblemssolvedindifferentperiodsduringthedevelopmentofIGBTchiptechnology,includinglatch-upproblems,IGBTturn-offtailing,reductionofsaturationvoltagedrop,etc.,aswellasfuturedevelopmentprospects.Keywords:IGBT;RC-IGBT;CS-TBT;SJ-IGBT;SIC-IGBT圖1IGBTLatch—Up示意圖圖2Non—Latch-UpIGBT器件結(jié)構(gòu)至此，IGBT進(jìn)入快速發(fā)展的階段，多家廠商成功量產(chǎn)出IGBT，并不斷迭代升級(jí)。不同廠商對(duì)不同代別的IGBT產(chǎn)品定義不同，但總體而言，IGBT器件的發(fā)展主要沿著兩個(gè)方向進(jìn)展：垂直結(jié)構(gòu)和正面元胞結(jié)構(gòu)。2.2降低拖尾電流80年代末期，多家廠商推出了600V~1200V電壓的IGBT產(chǎn)品。由于當(dāng)時(shí)的制造技術(shù)限制，基本都采用了正面平面元胞(Planar)和垂直穿通結(jié)構(gòu)(PT)，如圖3所示。此類型IGBT的制造與當(dāng)時(shí)的MOSFET制造技術(shù)大體兼容。與MOSFET制造工藝不同點(diǎn)在于襯底為P型重?fù)诫s，并需要在N型輕摻雜漂移區(qū)和襯底間生長(zhǎng)一層N型重?fù)诫s的緩沖層(N-BufferLayer)用來(lái)截止器件關(guān)斷時(shí)的電場(chǎng)。正是由于采用了P型重?fù)诫s的襯底，集電極的空穴注入效率過(guò)高，器件導(dǎo)通時(shí)在集電結(jié)附近存在大量的空穴。這些過(guò)量的空穴在器件關(guān)斷過(guò)程中必須被外電路抽取和器件內(nèi)部復(fù)合掉，導(dǎo)致器件關(guān)斷速度過(guò)慢，并引起過(guò)高的關(guān)斷損耗。為克服這一問(wèn)題早期的IGBT通常輔以局部輻照技術(shù)，減少集電結(jié)附近的載流子壽命，以此減少關(guān)斷損耗并提高開(kāi)關(guān)速度。這不僅提高了制造復(fù)雜度，還使器件呈負(fù)溫特性，不利于并聯(lián)使用。諸多缺點(diǎn)使這類IGBT在現(xiàn)階段已基本被淘汰。

CoiliM-IWEmlirarN"Dirt!"口11CoiliM-IWEmlirarN"Dirt!"口11機(jī)thiP"曾旳詢n圖3Planar-PTIGBT示意圖1989年，西門子公司率先制造出耐壓2000V,電場(chǎng)非穿通的IGBT(NPT-IGBT)⑸如圖4所示。此類型IGBT的正面制造工藝也與當(dāng)時(shí)的MOSFET制程兼容。但由于采用了單晶襯底，需要在正面工序完成之后，在背面進(jìn)行硅片減薄處理，隨后進(jìn)行P型離子注入。對(duì)于電壓等級(jí)較高的器件(~3000V以上)，漂移區(qū)較厚(~450口m以上)，減薄不需要特別的制程即可實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于600V~1700V等級(jí)的IGBT，由于漂移區(qū)厚度約100~300口m,需要特殊設(shè)備才能進(jìn)行減薄處理以降低碎片風(fēng)險(xiǎn)。這增加了工藝復(fù)雜度，同時(shí)由于漂移區(qū)厚度較PT型IGBT更厚，即更大的導(dǎo)通損耗，但帶來(lái)的好處是背面P型區(qū)的摻雜濃度可以更加精確的控制。即能夠靈活地調(diào)試背面集電極的空穴注入效率，調(diào)節(jié)器件導(dǎo)通時(shí)集電結(jié)附近的空穴濃度，從而避免使用局部輻照技術(shù)。這就使得器件在設(shè)計(jì)時(shí)可以充分考慮應(yīng)用場(chǎng)景的需求，在導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗之間取得更好的折中。同時(shí)，由于沒(méi)有使用局部輻照技術(shù)，載流子壽命較高(>10?s)，器件呈正溫特性，有利于芯片并聯(lián)使用。自此以后，硅片減薄技術(shù)和透明發(fā)射技術(shù)成為IGBT制造的主流技術(shù)。在1996年,西門子公司成功制造出厚度僅為100口m的600VNPT-IGBT。圖4Planar-NPTIGBT示意圖2.3降低導(dǎo)通壓降為克服高壓IGBT導(dǎo)通損耗過(guò)大的問(wèn)題，1993年，東芝公司的中川明夫等人提出了注入增強(qiáng)IGBT結(jié)構(gòu)(IEGT)[7]如圖5所示。其中溝槽周期性排列，但只有部分溝槽之間的區(qū)域才有N型重?fù)诫s區(qū)，并與陰極相連接。其余溝槽之間的區(qū)域沒(méi)有N型重?fù)诫s，即沒(méi)有完整的MOS結(jié)構(gòu)，無(wú)法形成有效的導(dǎo)電溝道。雖然這減少了MOS溝道，增大了MOS溝道壓降，但這依然能夠有效降低IGBT整個(gè)器件的正向壓降。其基本原理是減少IGBT陰極區(qū)的有效面積，并結(jié)合深溝槽和淺的Pbase區(qū)，這樣能有效降低陰極區(qū)對(duì)空穴的收集效率，即提高陰極區(qū)空穴的濃度由于電中性要求，陰極區(qū)的電子濃度得到同樣的提高。于是，IGBT的導(dǎo)電能力得到提高，導(dǎo)通壓降下降。IEGT效果與導(dǎo)電能力更強(qiáng)的GTO(gateturn-offtransistor)接近，其實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖6所示。圖5IEGT示意圖百芒百芒<】疽1>￡二匸2*言圖64500V的晶閘管，IGBT和IEGT的導(dǎo)通壓降除了東芝公司外，富士電機(jī)也提出了注入增強(qiáng)IGBT結(jié)構(gòu)，其基本元胞如圖7所示。以兩個(gè)溝槽為一組，內(nèi)側(cè)進(jìn)行N型重?fù)诫s以形成MOS結(jié)構(gòu)的源極區(qū)，外側(cè)不進(jìn)行N型重?fù)诫s。溝槽組與溝槽組之間進(jìn)行P型摻雜。此結(jié)構(gòu)也與IEGT結(jié)構(gòu)具有類似的提高陰極區(qū)載流子濃度的作用，達(dá)到降低導(dǎo)通壓降的目的。另外，三菱公司為克服類似的問(wèn)題，也于1996年提出了載流子存儲(chǔ)溝槽雙極晶體管(CSTBT)結(jié)構(gòu)［8］如圖8所示。相對(duì)于常規(guī)的Trench-IGBT而言，最大的不同點(diǎn)在于Pbase下方進(jìn)行了一定濃度的N型摻雜。只要N型摻雜的濃度和深度控制合適，那么器件的耐壓是幾乎不受影響的。此N型摻雜區(qū)類似于一個(gè)空穴阻擋層，降低了陰極對(duì)空穴的收集效率，從而提高陰極區(qū)的空穴濃度和電子濃度，從而達(dá)到降低導(dǎo)通壓降的目的。圖7富士提出的注入增強(qiáng)IGBT結(jié)構(gòu)EmtiorrubufteLi/nr片“碩EmtiorrubufteLi/nr片“碩r圖8CSTBT結(jié)構(gòu)示意圖IGBT發(fā)展展望IGBT向高速化發(fā)展的另一個(gè)技術(shù)路線則是超結(jié)IGBT(SuperJunetion-IGBT)[20-3。SJ-IGBT與SJ-MOSFET最大的差異在于，構(gòu)成耐壓層的P柱在MOSFET中是不導(dǎo)電的，而在IGBT中是導(dǎo)電的。SJ-IGBT不同于常規(guī)IGBT的一點(diǎn)是P柱和N柱中的導(dǎo)電特性接近于單極導(dǎo)電。而常規(guī)IGBT整個(gè)漂移區(qū)均為雙極導(dǎo)電，所以SJ-IGBT的開(kāi)關(guān)速度相對(duì)于常規(guī)IGBT有著更大的提升空間。另外，結(jié)合第三代半導(dǎo)體材料SiC,IGBT器件在高壓領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步拓展，有望打破常規(guī)的Si晶閘管在高電壓O8000V)領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。國(guó)內(nèi)IGBT的起步較晚，發(fā)展相對(duì)滯后?？傮w而言，在IGBT芯片設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)，大約有10~15年的差距，而在封測(cè)環(huán)節(jié)的差距更大。結(jié)論IGBT作為能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，是解決能源短缺以及降低碳排放的關(guān)鍵技術(shù)。近年來(lái)，隨著節(jié)能以及新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，推動(dòng)著IGBT市場(chǎng)爆發(fā)式的增長(zhǎng)。本文回顧了IGBT發(fā)展歷史上，解決的三大問(wèn)題，以及展望IGBT發(fā)展的方向。參考文獻(xiàn)：張超.關(guān)于對(duì)我國(guó)電力電子技術(shù)的研究與分析[J].Timereport,2012(5):140-140B.W.Seharf,J.D.Plummer.Insulated-gateplanarthyristors:I--Struetureandbasieoperation[J].IEEETrans.OnEleetronDeviees,1980,27(2):380-387.B.J.Baligaetal.TheInsulatedGateReetifier:ANewPowerSwitehingDeviee[C].IEEEInternationalEleetronDevieesMeeting,SanFraneiseo,1982,264-267A.Nakagawaetal.Non-Latch-Up1200V,75ABipolar-ModeMOSFETwithLargeSOA[C].IEEEInternationalElectronDevicesMeeting,Japan,1984,860-861G.Miller,J.Sack.ANewConceptforaNon-PunchThoughIBTwithMOSFETlikeSwitchingCharacteristics[C].IEEEPESC,Record1,pp.21-25,1989M.Harada.T.Minato,H.Takahashi,H.Nishihara,K.Inoue.L.Takata.600VtrenchIGBTincomparisonwithplanarIGBT[C].Proceedingsofthe6thISPSD,pp.411-416.1994M.Kitagawaetal.A4500VInjectionEnhancedInsulatedGateBipolarTransistor(IEGT)OperatinginaModeSimilartoaThyristor[C].IEEEInternationalElectronDevicesMeeting,Abstract28.3.1,pp.679682,1993H.Takahashietal.CarrrierStoredTrench-GateBipolarTransistor(CSTBT)-ANovelPowerDeviceforHighVoltageApplication[C].ISPSD,Maui,pp.349-352,1996T.Matsudaietal.New600VTrenchGatePunch-ThroughIGBTConceptwithVeryThinWaferandLowEfficiencyp-emitter,havinganOn-statevoltagelowerthanDiodes[C].IPEC,2000T.Laskaetal.TheField-StopIGBT(FS-IGBT)[C].IEEEInternationalSymposiumonPowerSemiconductorDevicesandICs,pp.355-358,2000Y.Tomomatsuetal.Characteristicsofa1200VCSTBTOptimizedofIndustrialApplications[C].PrceedingsofISPSD,2001E.Mottoetal.A1700VLPT-CSTBTWithLowLossandHighDurability[C].PrceedingsofISPSD,2002M.Rahimoetal.SPT+,theNextGenerationofLow-LossHV-IGBTs[C].PCIM,2005K.Oyamaetal.AdvancedHiGTwithLow-injectionPunch-though(LiPT)Structure[C].PrceedingsofISPSD,pp.111-114,2004A.Nakagawa.TheoreticalInvestigationofSiliconLimitCharacteristicsofIGBT[C].ISPSD'06Proceeding,pp.5-8,2006T.KimmerandE.Griebl.Trenchstop5:AnewapplicationspecificIGBTseries[C].ProceedingsofPCIMEurope2012,pp.120-127,2012J.Kawabataetal.TheAdvanced7thGenerationIGBTModuleforHighPowerDensityTechnology[C].9thInternationalConferenceonPowerElectronics-ECCEAsia,pp.554-559,2015C.Jaegeretal.Anewsub-microntrenchcellconceptinultrathinwafertechnologyfornextGeneration1200VIGBTs[C].Proceedingsof29thISPSD,Sapporo,pp.69-72.2017M.Sawada.TrenchS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