IGBT芯片技术发展概述

IGBT芯片技术发展概述摘要：回顾IGBT芯片技术的发展历程，从最开始发明，经过不断研究，目前已经广泛的应用在工业控制、电动汽车、轨道交通、智能电网、变频家电中。本文着重介绍了IGBT芯片技术发展历程中，不同时期解决的技术难题，包括闩锁问题、IGBT关断拖尾、降低饱和压降等，以及未来的发展展望。关键字：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图1IGBTLatch—Up示意图图2Non—Latch-UpIGBT器件结构至此，IGBT进入快速发展的阶段，多家厂商成功量产出IGBT，并不断迭代升级。不同厂商对不同代别的IGBT产品定义不同，但总体而言，IGBT器件的发展主要沿着两个方向进展：垂直结构和正面元胞结构。2.2降低拖尾电流80年代末期，多家厂商推出了600V~1200V电压的IGBT产品。由于当时的制造技术限制，基本都采用了正面平面元胞(Planar)和垂直穿通结构(PT)，如图3所示。此类型IGBT的制造与当时的MOSFET制造技术大体兼容。与MOSFET制造工艺不同点在于衬底为P型重掺杂，并需要在N型轻掺杂漂移区和衬底间生长一层N型重掺杂的缓冲层(N-BufferLayer)用来截止器件关断时的电场。正是由于采用了P型重掺杂的衬底，集电极的空穴注入效率过高，器件导通时在集电结附近存在大量的空穴。这些过量的空穴在器件关断过程中必须被外电路抽取和器件内部复合掉，导致器件关断速度过慢，并引起过高的关断损耗。为克服这一问题早期的IGBT通常辅以局部辐照技术，减少集电结附近的载流子寿命，以此减少关断损耗并提高开关速度。这不仅提高了制造复杂度，还使器件呈负温特性，不利于并联使用。诸多缺点使这类IGBT在现阶段已基本被淘汰。

CoiliM-IWEmlirarN"Dirt!"口11CoiliM-IWEmlirarN"Dirt!"口11机thiP"曾旳询n图3Planar-PTIGBT示意图1989年，西门子公司率先制造出耐压2000V,电场非穿通的IGBT(NPT-IGBT)⑸如图4所示。此类型IGBT的正面制造工艺也与当时的MOSFET制程兼容。但由于采用了单晶衬底，需要在正面工序完成之后，在背面进行硅片减薄处理，随后进行P型离子注入。对于电压等级较高的器件(~3000V以上)，漂移区较厚(~450口m以上)，减薄不需要特别的制程即可实现。但对于600V~1700V等级的IGBT，由于漂移区厚度约100~300口m,需要特殊设备才能进行减薄处理以降低碎片风险。这增加了工艺复杂度，同时由于漂移区厚度较PT型IGBT更厚，即更大的导通损耗，但带来的好处是背面P型区的掺杂浓度可以更加精确的控制。即能够灵活地调试背面集电极的空穴注入效率，调节器件导通时集电结附近的空穴浓度，从而避免使用局部辐照技术。这就使得器件在设计时可以充分考虑应用场景的需求，在导通损耗和关断损耗之间取得更好的折中。同时，由于没有使用局部辐照技术，载流子寿命较高(>10»s)，器件呈正温特性，有利于芯片并联使用。自此以后，硅片减薄技术和透明发射技术成为IGBT制造的主流技术。在1996年,西门子公司成功制造出厚度仅为100口m的600VNPT-IGBT。图4Planar-NPTIGBT示意图2.3降低导通压降为克服高压IGBT导通损耗过大的问题，1993年，东芝公司的中川明夫等人提出了注入增强IGBT结构(IEGT)[7]如图5所示。其中沟槽周期性排列，但只有部分沟槽之间的区域才有N型重掺杂区，并与阴极相连接。其余沟槽之间的区域没有N型重掺杂，即没有完整的MOS结构，无法形成有效的导电沟道。虽然这减少了MOS沟道，增大了MOS沟道压降，但这依然能够有效降低IGBT整个器件的正向压降。其基本原理是减少IGBT阴极区的有效面积，并结合深沟槽和浅的Pbase区，这样能有效降低阴极区对空穴的收集效率，即提高阴极区空穴的浓度由于电中性要求，阴极区的电子浓度得到同样的提高。于是，IGBT的导电能力得到提高，导通压降下降。IEGT效果与导电能力更强的GTO(gateturn-offtransistor)接近，其实验测试结果如图6所示。图5IEGT示意图百芒百芒<】疽1>£二匸2*言图64500V的晶闸管，IGBT和IEGT的导通压降除了东芝公司外，富士电机也提出了注入增强IGBT结构，其基本元胞如图7所示。以两个沟槽为一组，内侧进行N型重掺杂以形成MOS结构的源极区，外侧不进行N型重掺杂。沟槽组与沟槽组之间进行P型掺杂。此结构也与IEGT结构具有类似的提高阴极区载流子浓度的作用，达到降低导通压降的目的。另外，三菱公司为克服类似的问题，也于1996年提出了载流子存储沟槽双极晶体管(CSTBT)结构［8］如图8所示。相对于常规的Trench-IGBT而言，最大的不同点在于Pbase下方进行了一定浓度的N型掺杂。只要N型掺杂的浓度和深度控制合适，那么器件的耐压是几乎不受影响的。此N型掺杂区类似于一个空穴阻挡层，降低了阴极对空穴的收集效率，从而提高阴极区的空穴浓度和电子浓度，从而达到降低导通压降的目的。图7富士提出的注入增强IGBT结构EmtiorrubufteLi/nr片“硕EmtiorrubufteLi/nr片“硕r图8CSTBT结构示意图IGBT发展展望IGBT向高速化发展的另一个技术路线则是超结IGBT(SuperJunetion-IGBT)[20-3。SJ-IGBT与SJ-MOSFET最大的差异在于，构成耐压层的P柱在MOSFET中是不导电的，而在IGBT中是导电的。SJ-IGBT不同于常规IGBT的一点是P柱和N柱中的导电特性接近于单极导电。而常规IGBT整个漂移区均为双极导电，所以SJ-IGBT的开关速度相对于常规IGBT有着更大的提升空间。另外，结合第三代半导体材料SiC,IGBT器件在高压领域将进一步拓展，有望打破常规的Si晶闸管在高电压O8000V)领域的主导地位。国内IGBT的起步较晚，发展相对滞后。总体而言，在IGBT芯片设计和制造环节，大约有10~15年的差距，而在封测环节的差距更大。结论IGBT作为能源变换与传输的核心器件，是解决能源短缺以及降低碳排放的关键技术。近年来，随着节能以及新能源产业的快速发展，推动着IGBT市场爆发式的增长。本文回顾了IGBT发展历史上，解决的三大问题，以及展望IGBT发展的方向。参考文献：张超.关于对我国电力电子技术的研究与分析[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.TrenchShieldGateConceptforImprovedSwitchingPerformancewiththeLowMillerCapacitance[C].Proceedingsof28thISPSD,pp.207-210.2016F.Bauer.TheMOSControlledSuperJunctionTransistor(SJBT):anew,highlyefficient,highpowersemiconductordeviceformediumtohighvoltageapplications[C].Proceedingsof14thISPSD,SanteFe,NM,USA,USA,pp.197-200,2002F.Bauer.Thesuperjunctionbipolartransistor:anewsiliconpowerdeviceconceptforultra-lowlossswitchingapplicationsatmediumtohighvoltages[J].Solid-StateElectronics,2004,48(2):705-714K.H.Ohetal.ASimulationStudyonNovelFieldStopIGBTsUsingSuperjunction[J].IEEETransactionsonElectronDevice,2006,53(4):884-890M.Antoniou,F.UdreaandF.Bauer.OptimisationofSuperJuntionBipolarTransistorforultra-fastswitchingapplications[C].Proceedingofthe19thISPSD,pp.101-104,2007M.Antoniou,F.UdreaandF.Bauer.The3.3kVSemiSuperJunctionIGBTforIncreasedCosmicRayInducedBreakdownImmunity[C].Proceedingsof21stInternationalSympos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