IGBT器件介紹 IGBT結(jié)構(gòu)與工作原理

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IGBT(InsulatedGateBipolarTransist（or）)是絕緣柵雙極（晶體管）的簡稱，其由雙極結(jié)型晶體管(BJT)和金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(（MOSFET）)組成，是一種復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式開關(guān)功率半導(dǎo)體器件，是實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的核心器件，也是目前MOS-雙極型功率器件的主要發(fā)展方向之一。

IGBT的結(jié)構(gòu)和等效電路圖如圖1所示，其不僅具有MOSFET輸入阻抗高、柵極易驅(qū)動等特點，而且具有雙極型晶體管（電流）密度大、功率密度高等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于軌道交通、（新能源）汽車、（智能電網(wǎng)）、風(fēng)力發(fā)電等高電壓、大電流的領(lǐng)域，以及（微波）爐、洗衣機、電磁灶、（電子）整流器、照相機等低功率家用電器領(lǐng)域。

圖1：a)IGBT簡化結(jié)構(gòu)b)含有寄生npn晶體管和（電阻）（Rs）的等效電路c)簡化后的等效電路

二、IGBT結(jié)構(gòu)與（工作原理）

IGBT的結(jié)構(gòu)可以分為表面柵極結(jié)構(gòu)和體Si結(jié)構(gòu)兩部分，表面柵極結(jié)構(gòu)有兩種類型：柵極形成在晶圓表面的平面柵結(jié)構(gòu)和柵極形成在晶圓表面溝槽中的溝槽柵結(jié)構(gòu)，溝槽柵結(jié)構(gòu)將平面柵的表面溝道移到體內(nèi)，消除了平面柵結(jié)構(gòu)中的JFET區(qū)，提高了器件的電流密度，平面柵IGBT和溝槽柵IGBT的結(jié)構(gòu)分別如圖2a)和b)所示。

圖2：a)平面柵IGBT圖2：b)溝槽柵IGBT

另一方面，體Si結(jié)構(gòu)根據(jù)器件在反向耐壓時耗盡區(qū)是否到達集電區(qū)可以分為穿通型(PT)IGBT和非穿通型(NPT)IGBT(FS型可以看成是穿通型的改進結(jié)構(gòu))，其結(jié)構(gòu)和電場分布如圖3)所示。

圖3：a)PTIGBTb)NPTIGBTc)FSIGBT

PTIGBT、NPTIGBT和FSIGBT的結(jié)構(gòu)特點、制作工藝和特性比較如表1)所示。

表1)：PT-IGBT、NPT-IGBT、FS-IGBT比較

圖2a)展示了IGBT元胞的基本結(jié)構(gòu)，其中P-collector、N-drift和P-base區(qū)構(gòu)成PNP晶體管部分，N+源區(qū)、P-base基區(qū)以及N-drift作為漏區(qū)共同構(gòu)成NMOS結(jié)構(gòu)。

整體上看，IGBT結(jié)構(gòu)是在MOS管結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將部分n型漏極區(qū)用重摻雜p型區(qū)代替，兩者最大的區(qū)別在于，MOS管器件采用低摻雜的n型漏極區(qū)以獲得較高的擊穿電壓，然而在導(dǎo)通狀態(tài)下會產(chǎn)生較大的壓降;IGBT背面引入的N-drift/P-collector結(jié)可以在器件導(dǎo)通時向漂移區(qū)注入少數(shù)載流子，在N-drift區(qū)形成電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，大大降低漂移區(qū)電阻。

IGBT是一個三端器件，正面有兩個電極，分別為發(fā)射極(Emit（te）r)和柵極(Gate)，背面為集電極(Collector);在正向工作狀態(tài)下，發(fā)射極接地或接負壓，集電極接正壓，兩電極間電壓Vce>0，因此IGBT的發(fā)射極和集電極又分別稱為陰極(Cathode)和陽極(Anode)。IGBT可以通過控制其集-射極電壓Vce和柵-射極電壓Vge的大小，實現(xiàn)對IGBT導(dǎo)通/開關(guān)/阻斷狀態(tài)的控制，其簡要工作原理如下：

當IGBT柵-射極加上加0或負電壓時，正面MOSFET結(jié)構(gòu)溝道消失，IGBT呈關(guān)斷狀態(tài)。

當集-射極電壓Vce0時，分兩種情況：

①若柵-射極電壓Vge

②若柵-射極電壓Vge>Vth，MOS柵極溝道形成，IGBT呈導(dǎo)通狀態(tài)(正常工作)。此時，空穴從P+區(qū)注入到N-基區(qū)進行電導(dǎo)調(diào)制，減少N-基區(qū)電阻RN-的值，使IGBT通態(tài)壓降降低。

三、IGBT工藝技術(shù)

IGBT的正面工藝流程和常規(guī)平面DMOS器件類似。

主要包括以下步驟：保護環(huán)注入和推進→場氧(FOX)形成→溝槽刻蝕與柵氧生長→多晶Poly填充→源區(qū)Pbody與N+注入→介質(zhì)層生長→接觸孔刻蝕與填充→金屬層連接與鈍化層覆蓋。IGBT的背面工藝與DMOS有較大差別，主要工藝步驟包括：背面減薄→H注入或P注入形成Buffer層→背面集電極P+注入→激光退火→背面金屬層形成。

IGBT工藝技術(shù)有別于平面DMOS且加工難度大的方面包括：超薄片加工、高能離子注入、背面激光退火。

四、IGBT發(fā)展路線

從20世紀80年代IGBT器件誕生至今，隨著工藝水平的發(fā)展，IGBT先后經(jīng)歷了7代升級，從平面穿通型(PT)到平面非穿通型(NPT)，再到溝槽場截止型(TrenchFS)，（芯片）面積、工藝線寬、通態(tài)飽和壓降、關(guān)斷時間、功率損耗等各項（參數(shù)）指標經(jīng)歷了不斷的優(yōu)化，阻斷電壓也從最初的600V提高到10000V以上，（產(chǎn)品）涵蓋低中高各個電壓范圍。

IGBT各代次技術(shù)參數(shù)對比如下表2所示。

表2)：IGBT各代次技術(shù)參數(shù)對比

未來IGBT器件將向著槽柵結(jié)構(gòu)、精細化圖形、載流子注入增強調(diào)制、以及薄片化的加工工藝和更大尺寸的晶圓方向繼續(xù)發(fā)展;同時，