IGBT結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展與展望李碧姍;王昭;董妮【摘要】首先從絕緣柵型雙極性晶體管(IGBT)的物理模型展開(kāi)討論，分析了影響IGBT性能的幾個(gè)重要特性參數(shù)，對(duì)其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和改進(jìn)提供了理論支撐?其次論述了IGBT問(wèn)世以來(lái)的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展歷程，以及國(guó)際主流IGBT設(shè)計(jì)廠(chǎng)商對(duì)各自IGBT產(chǎn)品結(jié)構(gòu)做出的獨(dú)創(chuàng)性改進(jìn)?最后對(duì)目前研究的新技術(shù)熱點(diǎn)如逆導(dǎo)型IGBT半導(dǎo)體器件進(jìn)行了介紹，并對(duì)IGBT器件的發(fā)展方向提出展望.期刊名稱(chēng)】《電子與封裝》年(卷),期】2018(018)002【總頁(yè)數(shù)】9頁(yè)(P1-8,45)關(guān)鍵詞】IGBT;PT;NPT;SPT;Trench-FS;CSTBT;RC-IGBT【作者】李碧姍;王昭;董妮【作者單位】中車(chē)永濟(jì)電機(jī)有限公司,西安710018;中車(chē)永濟(jì)電機(jī)有限公司,西安710018;中車(chē)永濟(jì)電機(jī)有限公司,西安710018正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】TM215.92引言上世紀(jì)七十年代，一種采用絕緣柵、依靠感應(yīng)原理輸入信號(hào)的電壓控制型器件MOSFET出現(xiàn)，它具有輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)速度高等優(yōu)點(diǎn)，但是其導(dǎo)通電阻大、通流受限，且工作電壓有限。后來(lái)，人們把MOSFET絕緣柵技術(shù)結(jié)合到大功率雙極型晶體管（GTR）上之后，就出現(xiàn)了一種全新的復(fù)合型器件絕緣柵雙極型晶體管（IGBT，InsulatedGateBipolarTransistor）。它集合了MOSFET和BJT各自的優(yōu)點(diǎn)，具有輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快、熱穩(wěn)定性好、電壓驅(qū)動(dòng)、通態(tài)壓降低等優(yōu)點(diǎn)，使其可以向高頻、高電壓、大電流方向發(fā)展，在開(kāi)關(guān)頻率大于1kHz、功率大于5kW的應(yīng)用場(chǎng)合具有顯著優(yōu)勢(shì)［1~8］。然而實(shí)際上僅僅是簡(jiǎn)單組合而成的第一代IGBT器件的特性表現(xiàn)并不出眾，于是從上世紀(jì)八十年代至今,IGBT結(jié)構(gòu)和性能歷經(jīng)了數(shù)次較大的改進(jìn)和變革［12,13］°IGBT的發(fā)展是按照不同的路徑和芯片技術(shù)進(jìn)行的。不論是通過(guò)減少芯片面積來(lái)降低成本，還是提高特性使之更接近理論值，都基于3個(gè)基本途徑：（1）簡(jiǎn)化單元結(jié)構(gòu)/減少芯片面積/提高電流密度；（2）減薄芯片厚度，提高芯片性能；（3）提高芯片的可靠工作溫度。IGBT的設(shè)計(jì)理念是依據(jù)其主要用途，在不同情況且有時(shí)是相互矛盾的元件特性中選擇折中方案。最主要的兩個(gè)折中關(guān)系為［14］:（a）通態(tài)壓降VCE（sat）和關(guān)斷損耗Eoff;（b）通態(tài)壓降VCE（sat）和短路SOA（SCSOA）的關(guān)系。根據(jù)最新理念設(shè)計(jì)生產(chǎn)的IGBT器件，如SPT系列（ABB公司）［15~17］、Trench-FS（Infineon公司）［18~20］和CSTBT（Mitsubishi公司）［21］，對(duì)于問(wèn)題（a）通過(guò)提高自由載流子在n發(fā)射極區(qū)的濃度來(lái)協(xié)調(diào)，缺點(diǎn)是大多數(shù)集電極電流在關(guān)斷時(shí)下降太快，會(huì)產(chǎn)生不良后果，如EMC等問(wèn)題；對(duì)問(wèn)題（b）則通過(guò)減薄芯片厚度或引入場(chǎng)截止FS（field-stop）結(jié)構(gòu)低摻雜濃度截止層來(lái)改善［22］。同時(shí)，為了提高模塊的電流密度，逆導(dǎo)型IGBT結(jié)構(gòu)也得到廣泛的研究和應(yīng)用［23,24］。本文對(duì)主流IGBT器件廠(chǎng)商的IGBT結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了分析和總結(jié)。IGBT物理模型當(dāng)把IGBT看作是MOSFET和BJT的組合模型時(shí)，我們可以對(duì)其以下幾個(gè)主要特性參數(shù)進(jìn)行分析。通態(tài)壓降IGBT的總通態(tài)壓降可等效為PNP晶體管壓降和MOS管溝道電壓之和。PNP晶體管的壓降表示為［25］：其中，ICE1為流過(guò)IGBT的總電流，neff為準(zhǔn)中性基區(qū)有效摻雜濃度，P0為內(nèi)部晶體管發(fā)射集邊緣處的載流子濃度。IGBT開(kāi)通時(shí)工作于線(xiàn)性區(qū)，IMOS=IB，集電極-基極電壓等于MOSFET漏極-源極電壓，IMOS為通過(guò)MOS管溝道的電流［26］，則MOS管的溝道壓降表示為［25］：其中，Vth為MOS管閾值電壓，Vgs為柵極和源極所加偏壓，Cox是柵氧化層電容，pns是表面電子遷移率，Z是溝道寬度，Lch是溝道長(zhǎng)度。開(kāi)通時(shí)，IGBT導(dǎo)通壓降VCE1可以表示為［25］:IGBT的通態(tài)飽和壓降主要由導(dǎo)通電阻來(lái)決定。式（7）中，RJ是柵極下JFET區(qū)電阻，RD是N-漂移區(qū)的基區(qū)電阻，RN+是源區(qū)的電阻，RCH是P阱內(nèi)電阻，RSUB是背面P+發(fā)射極電阻。對(duì)于高壓器件來(lái)講，對(duì)器件通態(tài)壓降影響最大的電阻是JFET區(qū)電阻RJ和N-漂移區(qū)內(nèi)的電阻RD［27］。導(dǎo)通電流IGBT的導(dǎo)通電流ICE1可以看作來(lái)自PNP晶體管的基區(qū)電流IB和集電極電流IC的總和，即ICE1=IB+IC［25］。其中，IGBT的漏電流來(lái)源于PN結(jié)耗盡層空間電荷產(chǎn)生的電流以及中性基區(qū)擴(kuò)散電流的結(jié)合［28］，表達(dá)式為：式（10）中Wbcj為PN結(jié)中耗盡層的寬度，表達(dá)式為［23］:式（11）中，話(huà)i為硅的相對(duì)介電常數(shù)，Vbc為基極集電極電壓。漏電流很可能誘發(fā)IGBT擊穿和發(fā)生擎住效應(yīng)，是導(dǎo)致IGBT失效的主要原因之一［28,29］。和其他半導(dǎo)體器件一樣，IGBT的漏電流隨溫度升高而增大，在室溫條件下，空間電荷產(chǎn)生的電流起主要決定作用，而高溫時(shí)擴(kuò)散電流起主導(dǎo)作用。由漏電流公式可知:隨著溫度升高，漏電流變大，結(jié)溫上升，進(jìn)一步加劇漏電流變大，從而導(dǎo)致IGBT器件發(fā)生擊穿和擎住效應(yīng)。閾值電壓器件導(dǎo)電溝道的大小是由IGBT表面MOS結(jié)構(gòu)的P阱區(qū)決定的，同時(shí)影響器件的表面態(tài)。P阱的阱推深度和濃度大小直接影響閾值電壓Vth的值。器件在工作狀態(tài)時(shí)，若P阱區(qū)的體電阻RB上的壓降過(guò)大，則會(huì)使器件寄生晶體管被激活，產(chǎn)生閂鎖效應(yīng)［27］。因此P阱區(qū)通常會(huì)使用二次P+注入，使得源與P阱之間的摻雜濃度增加，從而降低P區(qū)的體電阻，提高抗閂鎖能力。閾值電壓表達(dá)式為［25］:式中，tox為柵極氧化層厚度，NA為P-base區(qū)摻雜濃度，ni為本征載流子濃度，Qss是氧化層表面電荷值，申ms是金屬半導(dǎo)體接觸的功函數(shù)。閾值電壓主要受P阱區(qū)摻雜濃度與柵氧化層厚度tox影響較大，規(guī)律是隨著P-base區(qū)與tox厚度的增大，閾值電壓也會(huì)隨之增大。隨著溫度升高，本征載流子濃度會(huì)變大，導(dǎo)致IGBT閾值電壓降低。由于MOS管的閾值電壓漂移，在高壓、大電流和高溫情況下，IGBT可能會(huì)出現(xiàn)誤開(kāi)通。開(kāi)關(guān)速度IGBT的關(guān)斷由兩個(gè)階段形成：第一階段是MOSFET關(guān)斷過(guò)程，這段時(shí)間Ic的下降較快，因?yàn)镸OS管的溝道電流是IGBT集電極電流Ic的主要部分；第二階段和BJT的存儲(chǔ)電荷有關(guān)，這段時(shí)間Ic的下降較慢，是因?yàn)楫?dāng)MOS管關(guān)斷后，IGBT在沒(méi)有反向電壓時(shí)，N基區(qū)中剩余的載流子復(fù)合速度緩慢。因此可見(jiàn)，IGBT關(guān)斷第一階段Ic的下降速率是由BJT共射極電流增益P決定的；IGBT關(guān)斷第二階段Ic的下降速率則與剩余載流子的壽命有關(guān)。即IGBT的關(guān)斷速度主要受BJT電流增益P和剩余載流子壽命T的影響。IGBT集電極電流Ic的上升速率是表征其開(kāi)通速度的一個(gè)重要指標(biāo)。MOSFET的跨導(dǎo)系數(shù)kp對(duì)集電極電流的上升速率有明顯影響。由于MOSFET的跨導(dǎo)系數(shù)與載流子遷移率呈正相關(guān)，即MOSFET的跨導(dǎo)系數(shù)隨溫度的上升而減小［28］。跨導(dǎo)系數(shù)表達(dá)式為：式（13）中，T0=300K,kp（T0）表示T0溫度時(shí)的MOSFET跨導(dǎo)。由式（13）可知，隨著溫度升高跨導(dǎo)系數(shù)減少，集電極電流上升速度變慢，IGBT開(kāi)通速度越慢。IGBT器件導(dǎo)通和關(guān)斷兩個(gè)瞬態(tài)過(guò)程是表征其動(dòng)態(tài)工作特性的關(guān)鍵。對(duì)IGBT而言，其導(dǎo)通過(guò)程主要由MOS結(jié)構(gòu)決定，速度快；而關(guān)斷過(guò)程卻比較復(fù)雜，時(shí)間較長(zhǎng)，這就使得關(guān)斷損耗也較大［27,30］。當(dāng)IGBT柵極電壓達(dá)到閾值電壓后，MOS管溝道開(kāi)啟，溝道電流就成為其BJT的基極電流，經(jīng)過(guò)上升時(shí)間tr以后，BJT集電極電流就形成了，這段時(shí)間由載流子在基區(qū)渡越時(shí)間決定，開(kāi)通過(guò)程的時(shí)間表示如下［25］：式（15）中，RG是柵極電阻，CGC是柵極發(fā)射極間電容，CGC是柵極集電極間電容，3PNP是PNP晶體管的基區(qū)寬度，Dp是空穴擴(kuò)散系數(shù)。關(guān)斷過(guò)程的時(shí)間表示如下：式（18）中，VGH是導(dǎo)通時(shí)柵極發(fā)射極間的電壓，IDM是承受電流，gfs是器件跨導(dǎo)值。在表面MOS管關(guān)閉后，J1結(jié)就會(huì)進(jìn)入反偏狀態(tài)，在基區(qū)中聚集的載流子需要復(fù)合或流出，此時(shí)集電極電流IC的表達(dá)式為：其中,Teff是時(shí)間常數(shù)，其值由基區(qū)厚度和基區(qū)載流子壽命決定。因?yàn)殛P(guān)斷過(guò)程中基區(qū)的電荷無(wú)法通過(guò)外部電路被抽走，所以IGBT關(guān)斷過(guò)程通常伴有較大的拖尾電流。降低關(guān)斷拖尾電流，使基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)削弱，會(huì)引起IGBT的通態(tài)壓降增加。因此IGBT的通態(tài)壓降與關(guān)斷時(shí)間在實(shí)際應(yīng)用中需要加以均衡。IGBT結(jié)構(gòu)演變過(guò)程平面柵穿通（PT）型IGBT（1982—1995）第一代IGBT器件結(jié)構(gòu)就是穿通型（PT）設(shè)計(jì)，這是最早的IGBT概念型產(chǎn)品。其制作工藝是采用厚度約為300~500pm的p+硅襯底為基板，通過(guò)外延生長(zhǎng)技術(shù)制造出n+區(qū)和n-區(qū)，然后在外延層上制作IGBT元胞。PT-IGBT具有類(lèi)似BJT的器件特性，在向1200V以上高壓方向發(fā)展時(shí)，遇到了成本高、厚外延難度大、高阻抗、可靠性低的問(wèn)題［31］。因此，PT-IGBT技術(shù)不適合生產(chǎn)高壓器件，但在600V低壓系列產(chǎn)品中具有優(yōu)勢(shì)。其器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1PT-IGBT結(jié)構(gòu)圖該結(jié)構(gòu)n-型基區(qū)較薄，正向壓降很低，在正向截止?fàn)顟B(tài)下，空間電荷區(qū)分布在整個(gè)n-區(qū)，因此稱(chēng)為穿通型IGBT。為了使外延層較高的截止電壓盡可能降低，通過(guò)在n-區(qū)邊緣加入高摻雜的n+型緩沖區(qū)，使電場(chǎng)在緩沖層下降到零。由于基板厚度大且摻雜濃度高，在正向工作時(shí)，p+層的空穴注入效率很高，空穴電流占總電流的40%~45%，這導(dǎo)致器件關(guān)斷時(shí)載流子難以快速流出集電極，造成拖尾電流和關(guān)斷時(shí)間很大，因此需要通過(guò)壽命控制技術(shù)附加再結(jié)合層（如摻雜Au或者電子輻射等）來(lái)減小關(guān)斷時(shí)n+區(qū)的載流子壽命。然而再結(jié)合層的引入使PT-IGBT的正向壓降具有負(fù)溫度系數(shù)，在并聯(lián)使用時(shí)難以均流，能夠引起熱電正反饋效應(yīng)，導(dǎo)致電流集中誘發(fā)二次擊穿，高溫時(shí)容易燒毀，因此PT-IGBT器件僅適合于低壓低頻應(yīng)用環(huán)境。平面柵非穿通（NPT）型IGBT（1989—2000）隨著工業(yè)應(yīng)用中對(duì)IGBT耐壓等級(jí)要求的不斷提高，采用PT-IGBT設(shè)計(jì)的器件在高耐壓條件下的基區(qū)厚度達(dá)到100pm以上，同時(shí)在硅襯底上外延生長(zhǎng)高阻厚外延層的工藝不僅成本高，而且外延層摻雜濃度和均一性都難以保證，因此采用外延工藝的PT設(shè)計(jì)逐漸難以滿(mǎn)足客戶(hù)的應(yīng)用需求。1989年，西門(mén)子公司于IEEE功率電子專(zhuān)家會(huì)議（PESC）上率先提出了NPT-IGBT的概念，1995年成功采用區(qū)熔單晶硅批量生產(chǎn)NPT-IGBT產(chǎn)品。隨后，NPT-IGBT逐漸取代PT-IGBT占據(jù)市場(chǎng)。其制作工藝是采用很薄且摻雜濃度很低的n-區(qū)熔單晶硅片，利用研磨、腐蝕等背面處理技術(shù)將芯片減薄到要求的耐壓所需厚度，之后通過(guò)離子注入在背面形成集電極P+區(qū)。NPT設(shè)計(jì)的n-漂移區(qū)做得很寬，因此在最高許可耐壓時(shí)電場(chǎng)在n-漂移區(qū)內(nèi)部被完全削弱到零，與PT-IGBT設(shè)計(jì)相比，空間電荷區(qū)不會(huì)穿透n-漂移區(qū)，所以稱(chēng)為非穿通型IGBT，器件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。圖2NPT-IGBT結(jié)構(gòu)圖NPT-IGBT的p+集電區(qū)厚度很薄且摻雜濃度相對(duì)于PT-IGBT較低，因此對(duì)于少子電子來(lái)說(shuō)集電極幾乎是透明的，約70%~75%的電子電流通過(guò)集電極流出。器件關(guān)斷時(shí)，存儲(chǔ)在n-漂移區(qū)的電子能夠通過(guò)集電極快速流出，因此不必進(jìn)行載流子壽命控制就能實(shí)現(xiàn)器件的快速關(guān)斷。與PT-IGBT相反，再結(jié)合層的取消使NPT-IGBT飽和壓降具有正溫度系數(shù)。這提高了芯片中單元之間及并聯(lián)的芯片之間的電流分布平衡性。作為硬性開(kāi)關(guān)，其開(kāi)關(guān)時(shí)間相對(duì)較小，且受溫度影響較低，通過(guò)內(nèi)部電流限制可以很好地切斷過(guò)載電流。當(dāng)今使用最廣的IGBT芯片都是以NPT結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的，各大IGBT芯片制造商據(jù)此相繼開(kāi)發(fā)出新一代IGBT結(jié)構(gòu)，如ABB公司的SPT系列設(shè)計(jì)、Infineon公司的Trench-FS設(shè)計(jì)以及Mitsubishi公司的CSTBT設(shè)計(jì)。這3種芯片結(jié)構(gòu)是IGBT領(lǐng)域最前沿設(shè)計(jì)理念與最尖端工藝技術(shù)的結(jié)合，代表了IGBT產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最高水平，目前在各種主流產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。4主流廠(chǎng)商IGBT結(jié)構(gòu)分析ABB公司SPT系列設(shè)計(jì)(SoftPunchThrough)SPT設(shè)計(jì)一般情況下阻斷電壓與漂移區(qū)的厚度成正比，漂移區(qū)厚度增加反向耐壓也隨之增大，但這會(huì)導(dǎo)致apnp降低，飽和壓降相應(yīng)增大，因此如何在保證反向耐壓的前提下降低飽和壓降是一個(gè)難題。為解決上述問(wèn)題，ABB公司參考PT設(shè)計(jì)，在NPT設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出SPT-IGBT(SoftPunchThrough),并成功應(yīng)用于1200V和1700V的IGBT芯片上[15,32]，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。SPT設(shè)計(jì)將PT、NPT結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，采用NPT設(shè)計(jì)的區(qū)熔薄硅片基板，進(jìn)行離子注入技術(shù)形成透明集電極P+區(qū)，同時(shí)引入PT結(jié)構(gòu)中的高摻雜濃度n+區(qū)作為緩沖層，從而減薄漂移區(qū)的厚度，電場(chǎng)在n+緩沖層中被迅速消除，因此稱(chēng)為軟穿通結(jié)構(gòu)。然而，在SPT結(jié)構(gòu)中，n-buffer的摻雜濃度沒(méi)有在PT-IGBT中那么高，因此不能像PT-IGBT中那樣降低發(fā)射效率，只能消除電場(chǎng)。在相同的正向截止電流下，SPT-IGBT基區(qū)的厚度相對(duì)于NPT-IGBT較薄，所以通態(tài)壓降較小。同時(shí)它還保留通態(tài)壓降的正溫度系數(shù)特性。同時(shí)由于載流子存儲(chǔ)量減少，關(guān)斷時(shí)的損耗也相應(yīng)降低。其新系列HiPakTM模塊（額定電壓從2.5kV到6.5kV）采用了ABB最新研制的高壓SPTIGBT和二極管，使得其SOA首次達(dá)到破紀(jì)錄的最高極限［33］。中車(chē)株洲時(shí)代電氣公司也在8英寸專(zhuān)業(yè)IGBT芯片線(xiàn)上成功試制1700V平面柵軟穿通（SPT）IGBT，芯片參數(shù)均勻，成品率達(dá)95%以上［34］。SPT+設(shè)計(jì)為了進(jìn)一步降低飽和壓降，減小通態(tài)電阻，ABB在SPT的基礎(chǔ)上，在n-漂移區(qū)和P+集電極間形成了一層n型層，這種結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為SPT+結(jié)構(gòu)［16］（見(jiàn)圖4）。圖3SPT-IGBT結(jié)構(gòu)圖4SPT+結(jié)構(gòu)在器件導(dǎo)通時(shí)，空穴由P+集電極出發(fā)，經(jīng)n+緩沖層注入n-漂移區(qū)，在此過(guò)程中不斷與來(lái)自發(fā)射區(qū)的電子復(fù)合，因此越接近表面n-區(qū)少子濃度（空穴）越低，電導(dǎo)調(diào)制作用越弱，電阻越大。ABB公司引入摻雜濃度略高于漂移區(qū)的n型空穴阻擋層，這一濃度差產(chǎn)生一個(gè)約0.17V的接觸電勢(shì)差，這影響了空穴的移動(dòng)，使正電子聚集在屏蔽層下方，為保持半導(dǎo)體內(nèi)部的電中性，自由載流子不斷由溝道進(jìn)入漂移區(qū)，使輸運(yùn)系數(shù)增大，根據(jù)IGBT飽和壓降公式可知通態(tài)壓降相應(yīng)降低。實(shí)際應(yīng)用中SEMiX模塊上分別采用SPT和SPT+芯片進(jìn)行計(jì)算，這兩個(gè)模塊具有相同的散熱條件、VCC電壓以及功率因數(shù)等。因?yàn)橥☉B(tài)損耗降低，SPT+芯片比SPT芯片有更好的性能［35］。采用SPT+技術(shù)的下一代HV-IGBT，除了與成熟的HV-SPTIGBT-樣具有光滑的開(kāi)關(guān)波形和極佳的SOA性能指標(biāo)外，其通態(tài)和關(guān)斷損耗也大大降低［36,37］。目前采用SPT+結(jié)構(gòu)的IGBT芯片是ABB供貨的主力。SPT++設(shè)計(jì)ABB最新的設(shè)計(jì)采用SPT++結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)基本與SPT+保持一致，是在SPT+的基礎(chǔ)上優(yōu)化芯片性能。SPT++結(jié)構(gòu)大幅減薄了芯片厚度，使芯片工作溫度得以進(jìn)—步提高，例如采用SPT++結(jié)構(gòu)的1700V/100AIGBT芯片厚度從209nm降低到190nm，其效果就是芯片的通態(tài)壓降比上一代降低了250mV,損耗的大幅下降使芯片能夠在175°C的高溫下工作［17］。4.2Infineon公司的Trench-FS（FieldStop）設(shè)計(jì)在平面柵工藝中，電流流向與表面平行時(shí)，必須通過(guò)柵極下面的p阱區(qū)圍起來(lái)的—個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）,該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的串連電阻提高了正向?qū)▔航担?1］。為了消除這一影響，早期引進(jìn)溝槽柵（trench）結(jié)構(gòu)，通過(guò)干法刻蝕工藝形成垂直于芯片表面的反型溝道［38］，消除了正向?qū)▔航抵蠮FET串聯(lián)電阻的貢獻(xiàn)，大幅削減了通態(tài)壓降。另外因?yàn)樵龃罅斯杵挠行娣e，所以更易控制溝道的截面面積，實(shí)現(xiàn)更小的溝道電阻。在給定的硅片面積上，原胞可以做得更小，能近一步使IGBT具有更高的電流密度、更小的通態(tài)功耗、更好的抗鎖定性、更小的整體功耗以及更高的耐壓。電場(chǎng)終止層（FieldStop）技術(shù)吸收了PT、NPT的優(yōu)點(diǎn)。與ABB公司的SPT設(shè)計(jì)相似，在FS層中其摻雜濃度比PT結(jié)構(gòu)中的n+緩沖層摻雜濃度低，但比基區(qū)n-層濃度高，因此基區(qū)可以減薄1/3左右，還能保證飽和壓降具有正溫度系數(shù)。由于仍然是在區(qū)熔單晶硅中（沒(méi)有外延）制作FS層，需進(jìn)行2次離子注入，又要確保飽和壓降的正溫度系數(shù)，工藝難度較大［31］。圖5溝槽柵場(chǎng)截止結(jié)構(gòu)InfineonIGBT芯片經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的PT結(jié)構(gòu)到NPT結(jié)構(gòu)、FS結(jié)構(gòu)的發(fā)展。直到Infineon第3代IGBT開(kāi)始將溝槽柵及電場(chǎng)終止層（FS）2種技術(shù)相結(jié)合，帶來(lái)了IGBT芯片性能的變革，器件基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。這種結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)勢(shì)就是使得芯片厚度大幅削減。傳統(tǒng)1200VNPT-IGBT芯片厚度約為200pm,IGBT3產(chǎn)品厚度為140pm左右；600VIGBT3產(chǎn)品芯片厚度僅為70pm左右。芯片的減薄使飽和壓降、漏電流、開(kāi)關(guān)損耗等參數(shù)得到優(yōu)化［19］。隨后Infineon公司在IGBT3的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減小了相鄰兩個(gè)單元的基極間距，通過(guò)芯片的優(yōu)化和減小厚度，IGBT4芯片的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性都有所提高，飽和壓降集電極漏電流、開(kāi)關(guān)損耗等重要參數(shù)再次得到優(yōu)化，其中通態(tài)壓降減少了180mV［18］。第5代InfineonIGBT進(jìn)一步降低了芯片厚度，優(yōu)化軟特性，將關(guān)斷和飽和電壓平衡到較低水平，并在芯片表面引入銅金屬化處理以適應(yīng)銅線(xiàn)鍵合工藝，由于銅材質(zhì)的優(yōu)良導(dǎo)熱性及導(dǎo)電性使得芯片的熱容增大，確保了10ps短路電流能力。芯片的導(dǎo)通和關(guān)斷特性?xún)?yōu)于IGBT4，并且將可靠工作溫度穩(wěn)定在175°C［20］。與國(guó)外公司相比，國(guó)產(chǎn)IGBT器件的研發(fā)制造能力大大落后。市面上的TrenchFSIGBT產(chǎn)品基本被國(guó)外壟斷，產(chǎn)品電壓涉及1200V、1700V和3300V［39,40］。電子科技大學(xué)在Trench-FS型IGBT設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了大量驗(yàn)證，開(kāi)發(fā)了600V和1200VIGBT的工藝方案，彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)TrenchFSIGBT的研制空缺［41,42］。Mitsubishi公司的CSTBT設(shè)計(jì)三菱電機(jī)公司的H.Takahashi等人于1996年在溝槽柵IGBT中引入CS層結(jié)構(gòu)，并將其命名為CSTBT(carrierstoredtrench-gatebipolartransistor)。通過(guò)在p基區(qū)與漂移區(qū)之間引入n型摻雜的載流子存儲(chǔ)層(carrierstoredlayer,CS層)來(lái)實(shí)現(xiàn)增加發(fā)射極一側(cè)載流子濃度的目的，如圖6所示。該結(jié)構(gòu)類(lèi)似于東芝提出的注入增強(qiáng)型柵極晶體管(InjectionEnhancedGatedTransistors,IEGT)［43］。這種IGBT因?yàn)榭昭ㄆ琳希砣缤赟PT+設(shè)計(jì)中所描述的，它有效促使從溝道輸出電子，使自由載流子的濃度提高，提高了在n發(fā)射極的載流子注入率。在器件正向?qū)〞r(shí)，漂移區(qū)與CS層之間的n-n+結(jié)會(huì)建立起擴(kuò)散電勢(shì)阻礙空穴的流出，CS層下方存在空穴的堆積。為保持該區(qū)域的電中性，發(fā)射極通過(guò)n溝道向n-漂移區(qū)注入大量電子，這使n-漂移區(qū)中靠近發(fā)射極一側(cè)的載流子濃度局部增加，降低了器件的導(dǎo)通壓降［44］。圖6CSTBT結(jié)構(gòu)三菱電機(jī)公司已經(jīng)研發(fā)成功的第7代芯片大幅削減了p+層厚度并優(yōu)化了結(jié)構(gòu)。器件關(guān)斷時(shí)，n漂移區(qū)的過(guò)剩載流子能夠更快地通過(guò)薄層集電極流出，進(jìn)一步降低了關(guān)斷拖尾電流與開(kāi)關(guān)損耗，使其相比第6代模塊損耗下降了25%［45,46］。三菱電機(jī)在600V和650VCSTBTTM芯片制造中使用薄片技術(shù)，擴(kuò)大了器件的安全工作區(qū)，平衡了VCEsat和Eoff之間的關(guān)系，穩(wěn)定的電學(xué)性能奠定其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)［47~50］。IGBT新結(jié)構(gòu)——逆導(dǎo)型IGBT如果在IGBT單向?qū)芰A(chǔ)上將IGBT和二極管集成在同一塊芯片上，使得IGBT不但具有高集成度同時(shí)擁有正向?qū)ê头聪驅(qū)芰?，并且也能消除IGBT芯片與二極管芯片之間的溫度差，能更好地提高功率模塊的穩(wěn)定性。2004年Takahashi等人將這種想法應(yīng)用到縱向IGBT中，通過(guò)將IGBT的P型集電極用一段N型集電極來(lái)代替，實(shí)現(xiàn)了續(xù)流二極管與IGBT在單一硅片內(nèi)的集成，并稱(chēng)其為逆導(dǎo)型RC-IGBT(Reverse-ConductingInsulatedGateBipolarTransistor)［51］。逆導(dǎo)型IGBT的基本結(jié)構(gòu)是在集電極的p+區(qū)間斷性地嵌入n型半導(dǎo)體材料。這樣當(dāng)器件承受反向壓降時(shí),IGBT的p+基區(qū)、n-漂移區(qū)、n+截止層及n+短路區(qū)構(gòu)成了一個(gè)能夠反向?qū)ǖ腜IN二極管，器件就同時(shí)兼具正向和反向?qū)ㄐ裕鐖D7所示。圖7RC-IGBT基本結(jié)構(gòu)由于n+短路區(qū)的存在，器件關(guān)斷時(shí)，n漂移區(qū)的過(guò)剩載流子能夠通過(guò)n+短路區(qū)迅速流走，這大幅縮短了逆導(dǎo)型IGBT的關(guān)斷時(shí)間。但在正向?qū)ǔ跗?，從溝道注入漂流區(qū)的載流子在進(jìn)入n-buffer層后會(huì)首先經(jīng)由n+短路區(qū)流出，此時(shí)沒(méi)有空穴注入，器件單級(jí)導(dǎo)通，其運(yùn)行模式類(lèi)似VDMOS。因?yàn)殡妼?dǎo)調(diào)制并未發(fā)生，故通態(tài)壓降很大。直至Vce增加到集電極導(dǎo)通，發(fā)生電導(dǎo)調(diào)制，通態(tài)壓降陡降。這一過(guò)程被稱(chēng)為RC-IGBT的Snap-back現(xiàn)象［52］。為了減小Snap-back現(xiàn)象對(duì)RC-IGBT性能的影響，可以對(duì)p+集電極和n+短路區(qū)的摻雜濃度與尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如采用增加P+區(qū)寬度及P+區(qū)上方n+Buffer層的電阻率、n+區(qū)寬度、減小Buffer層的摻雜濃度等方式降低Snap-back現(xiàn)象的峰值電壓VP。但上述方法只能減小Snap-back現(xiàn)象帶來(lái)的影響，無(wú)法從根本上消除該現(xiàn)象，為此ABB的Storasta等人提出Bi-modeInsulatedGateTransistor(BIGT)結(jié)構(gòu)［53-55］(見(jiàn)圖8),將普通IGBT與RC-IGBT相結(jié)合。圖8BIGT結(jié)構(gòu)在器件導(dǎo)通初期，IGBT首先導(dǎo)通并觸發(fā)電導(dǎo)調(diào)制現(xiàn)象，直至電壓電流增大到逆導(dǎo)IGBT的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)產(chǎn)生，器件完全導(dǎo)通。在這一過(guò)程中，IGBT起到了導(dǎo)向作用，在電流電壓較小的階段消除了Snap-back，因此稱(chēng)為Pilot-IGBT。另外，Pilot-IGBT技術(shù)的引入能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)二極管部分進(jìn)行獨(dú)立優(yōu)化而不影響其他特性，從而改進(jìn)二極管的關(guān)斷特性，降低RC-IGBT的關(guān)斷損耗。自2010年以來(lái)，各大芯片制造廠(chǎng)商已陸續(xù)推出各自的逆導(dǎo)型產(chǎn)品，ABB、Infineon的高壓大功率逆導(dǎo)IGBT器件覆蓋600~6500V電壓等級(jí)，而Mitsubishi公司則致力于逆導(dǎo)IGBT在IPM產(chǎn)品中的應(yīng)用［51~57］。目前諸多國(guó)際廠(chǎng)商已經(jīng)在逆導(dǎo)器件的研發(fā)生產(chǎn)中領(lǐng)先一步，而國(guó)內(nèi)對(duì)此研究較少，主要是電子科技大學(xué)和國(guó)家電網(wǎng)在對(duì)逆導(dǎo)型IGBT的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些仿真計(jì)算［58~60］。在傳統(tǒng)IGBT器件性能已經(jīng)逐漸接近理論極限的情況下，逆導(dǎo)IGBT結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體器件向更高的電壓等級(jí)發(fā)展提供了一個(gè)可能的方向，同時(shí)它還具有低成本、低損耗、良好SOA特性、軟關(guān)斷、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。5結(jié)論上世紀(jì)八十年代IGBT器件首次出現(xiàn)，隨后其經(jīng)歷了從PT-IGBT到NPT-IGBT的演變過(guò)程，直到本世紀(jì)初各大半導(dǎo)體廠(chǎng)商開(kāi)始在NPT-IGBT的基礎(chǔ)上做出獨(dú)創(chuàng)性改進(jìn)，產(chǎn)生了如今市場(chǎng)上的3種主流產(chǎn)品：SPT(ABB公司)、Trench-FS(Infineon公司)以及CSTBT(Mitsubishi公司)。這3種產(chǎn)品將半導(dǎo)體先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如溝槽柵、場(chǎng)截止層、空穴阻擋層等技術(shù)相結(jié)合，使IGBT器件特性逐漸逼近理論極限，現(xiàn)階段各大公司都將主要研究方向放在提高IGBT芯片工作結(jié)溫上，從而提高器件的適用范圍。毫無(wú)疑問(wèn)，IGBT已經(jīng)成為近年來(lái)最有價(jià)值的電力電子主力器件，目前尚無(wú)其他大功率高頻器件可以代替。參考文獻(xiàn)：CarlBlake,ChrisBull.IGBTorMOSFET:ChooseWisely[J].InternationalRectifier,1970.吳濟(jì)均?電力半導(dǎo)體器件的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)J].電力電子技術(shù),1995(dl):77-83.王宏?半導(dǎo)體電力電子器件發(fā)展概況及國(guó)內(nèi)發(fā)展展望J].微處理機(jī),2002(2):4-6.周文定，亢寶位.不斷發(fā)展中的IGBT技術(shù)概述J].電力電子技術(shù),2007,18(9):115-118.⑸葉立劍,鄒勉,楊小慧.IGBT技術(shù)發(fā)展綜述J].半導(dǎo)體技術(shù),2008,33(11):937-940.LeoLozenz.PowerSemiconductorDeviceandDesignCriteria[R].2012.戚麗娜，張景超，劉利峰，等.IGBT器件的發(fā)展J].電力電子技術(shù),2012,46(12):34-38.張金平，李澤宏，任敏，等?絕緣柵雙極型晶體管的研究進(jìn)展J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2014,9(2):111-119.支崇玨?電力電子器件在軌道交通車(chē)輛牽引中的應(yīng)用J].科技信息：科學(xué)教研,2008(17):307-308.王瑞?大功率IGBT特性及在變頻器中應(yīng)用研究J].寶雞文理學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2014,34(3):64-66.丁榮軍,劉國(guó)友?軌道交通用高壓IGBT技術(shù)特點(diǎn)及其發(fā)展趨勢(shì)J].機(jī)車(chē)電傳動(dòng),2014(1):1-6.馮松，高勇,FENGSong,等.溫度對(duì)3種IGBT結(jié)構(gòu)通態(tài)特性的影響J].電力電子技術(shù),2016,50(6):97-100.陳為真，張丙可,陳星弼?關(guān)于IGBT的四種結(jié)構(gòu)的研究J].中國(guó)科技論文在線(xiàn),2016.KatsumiSatoh,TetsuoTakahashi,HidenofiFujii,等.用于下一代功率模塊中的新一代硅片設(shè)計(jì)[幾電力電子技術(shù),2008,42(10):75-77.DewarS,LinderS,vonArxC,MukhitinovA,DebledG.SoftPunchThrough(SPT)-SettingnewStandardsin1200VIGBT[C].PCIMEuropeConferenceProceedings,2000.CCorvasce,AKopta,JVobecky.New1700SPT+IGBTandDiodeChipSetwith175°COperatingJunctionTemperaure[C].PCIMEurope2006ConferenceProceedings.SvenMatthias,ChiaraCorvasce.The62PakIGBTmodulerangeemployingthe3rdGeneration1700VSPT++chipsetfor175Coperation[C].PCIMAsia,2016.MBapier,PKanschat,FUmbach.1200VIGBT4-HighPower-ANewTechnologyGenerationwithOptimizedCharacteristicsforHighCurrentModules[C].PCIMEurope,2006.Xi,Z,Jansen,U,RUthing,H,Ag,IT(2009).IGBTpowermodulesutilizingnew650VIGBT3andEmitterControlledDiode3chipsforthreelevelconverter[C].PCIMEruope2009:1-6.WilhelmRusche,AndreRStegner.MorePowerbyIGBT5withXT[J].ElectronicsinMotionandConversion,May2015.KotaOhara,HiroyukiMasumoto.ANewIGBTModulewithInsulatedMetalBaseplate(IMB)and7thChip[C].NurembergGermany:PCIMEurope,2015:19-21.Dr-IngArendtWintrich,Dr-IngUlrichNicolai,DrtechnWernerTursky.ApplicationManualPowerSemicon-ductors[C].SEMIKRONInternation.[23]張文亮，田曉麗,談景飛，等逆導(dǎo)型IGBT發(fā)展概述J].半導(dǎo)體技術(shù),2012,37(11):17-22.李曉平，劉江，趙哿，等逆導(dǎo)型IGBT的發(fā)展及其在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用J].智能電網(wǎng),2017,5(1):1-8.KhannaV.InsulatedGateBipolarTransistorIGBTTheoryandDesign[M].Wiley-IEEEPress,2003.[26]趙芬.IGBT模型仿真研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2010.肖璇.3300VPlanarIGBT的仿真分析與設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué),2012.陳永淑.IGBT的可靠性模型研究[D]?重慶：重慶大學(xué),2010.李鋒?功率IGBT的若干失效問(wèn)題研究[D].西安：西安理工大學(xué),2009.付耀龍.IGBT的分析與設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.[31]茹意?大功率IGBT建模與瞬態(tài)分析研究[D].北京：北方工業(yè)大學(xué),2010.[32]RahimoM,LukaschW,ArxCV,etal.NovelSoft-Punch-Through(SPT)1700VIGBTSetsBenchmarkonTechnologyCurve[C].PositiveTemperatureCoefficient,2001.[33]MRahimo,AKopta,ECarroll.HiPak~(TM)高壓SPTIGBT模塊的SOA新基準(zhǔn)J].電力電子技術(shù),2007,41(3):100-102.[34]劉國(guó)友?具有低損耗、寬安全工作區(qū)的1700V平面柵軟穿通IGBT[C].2014全國(guó)半導(dǎo)體器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展、創(chuàng)新產(chǎn)品和新技術(shù)研討會(huì)暨中國(guó)微納電子技術(shù)交流與學(xué)術(shù)研討會(huì),2014.[35]NorbertPluschke,張文瑞.SPT+未來(lái)的IGBT技術(shù)及先進(jìn)的封裝技術(shù)[C].2006中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì),2006.[36]胡冬青.SPT+下一代低損耗高壓IGBTJ].電力電子,2006(6):37-41.[37]褚為利侏陽(yáng)軍，張杰,etal.SPT+IGBTcharacteristicsandoptimization[J].JournalofSemiconductors,2013,2(1):863-867.UdreaF,ChanSSM,ThomsonJ,etal.DevelopmentoftheNextGenerationofInsulatedGateBipolarTranistorsbasedonTrenchTechnology[C].Solid-StateDeviceResearchConference,1997.Proceedingofthe,European.IEEE,1997:504-507.N沃馬羅,M奧蘇基,Y霍希，等.1200V和1700V新型IGBT模塊溝槽及電場(chǎng)截止型IGBT低注入續(xù)流二極管[J].電力電子,2004(4):44-47.KogaT,KakikiH,ZhanM.3.3kVIGBTModuleswithTrenchGateFSStructure[C].Internationalexhibition&conferenceforpowerelectronicsintelligentmotionpowerquality,2011.趙起越.1200VTRENCH-FS型IGBT的設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué),2013.李丹.600VTrenchFSIGBT的設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué),2016.KitagawaM,OmuraI,HasegawaS,etal.A4500Vinjectionenhancedinsulatedgatebipolartransistor(IEGT)operatinginamodesimilartoathyristor[C].ElectronDevicesMeeting,1993.IEDM'93.TechnicalDigest.International.IEEE,1993:679-682.沈千行，張須坤,張廣銀，等.IGBT載流子增強(qiáng)技術(shù)發(fā)展概述J].半導(dǎo)體技術(shù),2016(10):751-758.OharaK,MasumotoH,TakahashiT,etal.ANewIGBTModulewithInsulatedMetalBaseplate(IMB)and7thGenerationChips[C].PCIMEurope2015;InternationalExhibitionandConferenceforPowerElectronics,IntelligentMotion,RenewableEnergyandEnergyManagement;Proceedingsof.VDE,2015:1-4.YosukeNakata.NewPerformance7thGenerationChipInstalledPowerModuleforEV/HEVInventers[C].Nuremberg,Germany:PCIMEurope,2015:19-21.HondaS,HaraguchiY,NarazakiA,etal.Nextgeneration600VCSTBT?withanadvancedfinepatternandathinwaferprocesstechnologies[C].InternationalSymposiumonPowerSemiconductorDevicesandICS.IEEE,2012:149-152.KamibabaR,KonishiK,FukadaY,etal.Nextgeneration650VCSTBTTMwithimprovedSOAfabricatedbyanadvancedthinwafertechnology[C].IEEE,InternationalSympo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