IGBT自發(fā)明以來, 其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展。它不僅在工業(yè)應(yīng)用中取代了MOSFET, GTR, 甚至已擴展到SCR, GTO占優(yōu)勢的大功率應(yīng)用領(lǐng)域, 還在消費類電子應(yīng)用中取代了雙極性晶體管BJT, MOSFET功率器件的許多應(yīng)用領(lǐng)域。IGBT額定電壓和額定電流所覆蓋的輸出容量已達到6MVA, 商品化IGBT模塊的最大額定電流已達到3.6k A, 最高阻斷電壓為6.5k V, 并已成功應(yīng)用在許多中、高壓電力電子系統(tǒng)中。另一方面, 由于IGBT具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng), 電流密度比MOSFET的大, 因而在同等容量下, 其成本比MOSFET的低。一種短拖尾電流, 高頻類600V IGBT分離器件已面世, 其硬開關(guān)頻率可達150k Hz, 已進一步擴展到功率MOSFET的應(yīng)用領(lǐng)域。用高頻IGBT分離器件替代功率MOSFET具有成本低, 可靠性高的優(yōu)勢。

由于MOSFET, IGBT是驅(qū)動功耗十分低的電壓驅(qū)動型功率半導(dǎo)體開關(guān)器件, 它們將進一步促進功率半導(dǎo)體集成技術(shù) (PIC, IPM等) 的快速發(fā)展, 進而易于與信息電子技術(shù)密切結(jié)合, 由它們所引起的電力電子技術(shù)的變革堪稱是一場革命。

IGBT是一個工作原理復(fù)雜的集成功率半導(dǎo)體器件。結(jié)構(gòu)上, IGBT幾乎集成了半導(dǎo)體器件的所有基本結(jié)構(gòu), 如二極管、BJT、結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET, MOSFET, SCR。IGBT的結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化, 將引起其性能發(fā)生相應(yīng)的變化。工藝技術(shù)上, IGBT利用MOS集成電路工藝進行大面積的功率集成, 設(shè)計上表現(xiàn)為單元胞尺寸的縮小, 并聯(lián)集成的元胞數(shù)量越多, 通態(tài)壓降 (導(dǎo)通損耗) 逐漸減小。IGBT的工藝設(shè)計尺寸規(guī)則已從5μm先進到0.5μm的亞微米工藝, 晶片加工已從”100mm發(fā)展到”200mm。

圖1示出已成熟投產(chǎn)的穿通型IGBT (Punch Through IGBT, 簡稱PT-IGBT) 的原理結(jié)構(gòu)。

這里要特別指出: (1) 理論上, 發(fā)射極總電流由與PIN二極管串聯(lián)的MOSFET, pnp晶體管和pnpn晶閘管3部分電流組成, 其相對大小與具體結(jié)構(gòu)和工作條件有關(guān)。正常的IGBT要避免晶閘管的作用, 控制晶體管的作用; (2) 在每個元胞的p型阱區(qū)中心處鋁電極將pn結(jié)短路, 并且加深n型源區(qū)下的p阱深度, 兩者均為了抑制晶閘管的作用, 避免鎖定; (3) p+集電區(qū)與n-耐壓層之間加入一個n+緩沖層, 其作用是用更薄的n-層得到同樣的耐壓, 從而減小通態(tài)壓降和開關(guān)時間; (4) 必須采用電子輻照等壽命控制技術(shù), 以提高開關(guān)速度。

上述PT-IGBT已獲得了比VD-MOSFET更低的通態(tài)壓降, 以及比雙極功率器件更高的工作頻率, 而且驅(qū)動電路簡單, 功耗小。但它還有許多需要改進的地方: (1) 需進一步降低功耗, 包括減小通態(tài)電阻, 以降低通態(tài)損耗, 減短開關(guān)時間, 以降低開關(guān)損耗; (2) 改善溫度性能。由于過剩載流子壽命隨溫度升高而變長, 采用壽命控制技術(shù)的PT-IGBT, 其UCE sat和Ron具有負(fù)溫度系數(shù), 因而不利于IGBT并聯(lián)使用, 關(guān)斷損耗Eoff具有正溫度系數(shù), 會增大高溫功耗; (3) 擴展SOA; (4) 降低制造成本等。

集電區(qū)層 (下層) 結(jié)構(gòu)的新概念———透明集電區(qū)技術(shù), 把IGBT集電極的空穴注入效率降低到0.5以下, 使通過集電結(jié)的總電流中電子流起主要作用, 一般達70%以上。在IGBT關(guān)斷時, n-區(qū)存儲的過剩電子能透過集電區(qū)迅速流出, 實現(xiàn)快速關(guān)斷。因此, 無需用壽命控制技術(shù)。這樣不僅得到了高開關(guān)速度, 更重要的是具有了UCE sat和Ron正溫度系數(shù)的寶貴性能, 同時關(guān)斷損耗隨溫度變化也很小。這種溫度性能可粗淺理解為透明集電區(qū)IGBT更接近于n-區(qū)電導(dǎo)調(diào)制的MOSFET。

n-耐壓層 (中層) 結(jié)構(gòu)的新概念———電場中止 (Field Stop, 簡稱FS) 技術(shù), 其核心是在n-耐壓層與p型集電區(qū)之間加入一個比n-區(qū)寬度小而摻雜濃度更高的n+型緩沖層。按照泊松方程使電場強度在該層中迅速減小到零而達到電場中止, 同時提高n-區(qū)的電阻率, 從而以較薄的耐壓層實現(xiàn)同樣的擊穿電壓。其主要優(yōu)點是, 耐壓層的減薄可使通態(tài)電阻降低和關(guān)斷損耗減小, 后者是因為通態(tài)時存儲的載流子總量減少。圖2示出n-區(qū)的3種寬度設(shè)計選擇: (1) 耗盡層在工作電壓和擊穿電壓下都穿通的n-區(qū), 屬于重穿通, 為FS型; (2) 耗盡層在工作電壓下不穿通, 而在擊穿電壓下穿通n-區(qū), 屬于輕穿通, 輕穿通 (LPT) FS有時也稱為“軟穿通” (SPT) , 亦為FS型; (3) 耗盡層在工作電壓和擊穿電壓下都不穿通n-區(qū), 此時無需緩沖層, 為非穿通型。

形成PT-IGBT之后, IGBT芯片結(jié)構(gòu)上層采用的各種新設(shè)計概念主要是為了減小UCE sat, 亦即Ron。這類新設(shè)計概念較多, 擇要如下。

(1) 溝槽柵技術(shù)該技術(shù)是在IGBT的Si片正面挖許多淺而密的溝槽, 把柵氧化層和柵電極做在溝槽側(cè)壁上, 因而MOSFET的溝道就成為沿溝槽側(cè)壁的垂直溝道, 圖3示出溝槽柵IGBT結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是: (1) 消除了Ron組成部分中的RJFET; (2) 溝道呈縱向, 每個元胞占據(jù)表面積小, 所以單位面積芯片中溝道數(shù)與溝道總寬度增加, Rch減小且正比于溝道的寬/長比; (3) 適當(dāng)?shù)臏喜蹖挾扰c間距可以提高n-區(qū)近表面層的載流子濃度。以上3項特點都能使Ron比平面柵結(jié)構(gòu)有明顯減小。但是也有相伴而生的缺點: (1) 溝道寬度過大, 使柵電容過大, 對開關(guān)速度有影響; (2) 不適當(dāng)?shù)脑O(shè)計會使IGBT的短路電流過大, 短路安全工作成問題; (3) 挖出表面光滑的槽壁, 在技術(shù)上困難較大, 不光滑的表面會影響擊穿電壓, 降低生產(chǎn)成品率。

(2) 近表面層載流子濃度增高技術(shù)一般IGBT中, 從p型集電區(qū)注入到n-耐壓層的空穴向上表面運動過程中濃度逐漸降低, 所以n-區(qū)中越接近表面處電導(dǎo)調(diào)制作用越弱, 電阻越大。近表面層載流子濃度增高技術(shù)就是用各種方法提高n-區(qū)中近表面處的電子空穴對濃度, 以最大限度地減小通態(tài)電阻。目前, 采用的主要措施是: (1) 加大pnp管橫向間距技術(shù)。在IGBT中, MOSFET與pnp管是達林頓接法, pnp管的集電結(jié)永遠(yuǎn)處于反偏, 所以n-基區(qū)上邊緣近pnp管集電結(jié)處空穴濃度很低。具體實現(xiàn)方法是:隔幾個元胞設(shè)置一個pnp管, 這對平面柵和溝槽柵都適用, 圖4示出IEGT中用的結(jié)構(gòu)。對溝槽柵IGBT還可簡單地加寬溝槽的寬度來實現(xiàn)。 (2) 空穴阻擋層, 即載流子存儲層技術(shù)。圖5示出該技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖。該技術(shù)之一是在IGBT中pnp管的p型集電區(qū)周圍用一個摻雜濃度略高于n-區(qū)的n層包圍, 借助n/n-高低結(jié)的接觸電勢差, 使n型相對于n-型具有更高電位, 從而成為使n型相對于n-型具有更高電位, 從而成為阻擋空穴向pnp管集電區(qū)流動的勢壘, 可以提高n-基區(qū)上邊界附近的空穴濃度, 改善電導(dǎo)調(diào)制, 減小Ron中的RPIN。

該技術(shù)之二被稱為平面增強 (EP-IGBT) 技術(shù), 是對上述技術(shù)的一種改進, 圖6示出EP-IGBT結(jié)構(gòu)。研究證明, 圖5b的平面型空穴阻擋層技術(shù)存在擊穿電壓降低的問題, 因為位于p阱拐角處的摻雜濃度較高的n型空穴阻擋層有降低擊穿電壓的不良作用。所以, 改進的用于平面IGBT的空穴阻擋層技術(shù)只保留在p阱側(cè)面和正下方的n型附加層, 去除p阱拐角處的n型附加層上, 既顯著減小了Ron, 而又不降低擊穿電壓, 可保持很好的RBSOA效果。

PT-IGBT是歷史上沿用下來的名稱, 并不嚴(yán)謹(jǐn)。應(yīng)當(dāng)在其前冠以“非透明集電區(qū)”才與其結(jié)構(gòu)相符, 才能與近年新發(fā)展起來的大量透明集電區(qū)穿通型IGBT相區(qū)別。這里仍沿用PT-IGBT這一名稱。它是在p+硅襯底上外延n+緩沖層和n-耐壓層, 然后在n-耐壓層表面用光刻、氧化、離子注入、熱擴散、淀積多晶硅等一系列微電子制造工藝形成MOSFET結(jié)構(gòu)。

它采用了透明集電區(qū)新技術(shù)概念。以NPT-IGBT為開端, 透明集電區(qū)技術(shù)的應(yīng)用開辟了IGBT發(fā)展的新紀(jì)元。應(yīng)當(dāng)在沿用至今的NPT-IGBT前面冠以‘透明集電區(qū)’, 才能與1980年IGBT發(fā)明初期就出現(xiàn)過的外延型非穿通型IGBT相區(qū)別。圖7示出1.2k V NPT-IGBT和PT-IGBT兩者結(jié)構(gòu)和性能的比較。圖7b示出1.2k V系列NPT-IGBT的大致結(jié)構(gòu)參數(shù), n-區(qū)厚175~220μm (對600V系列, 約為100μm) 。它是在浮帶區(qū)熔中子嬗變摻雜的高阻n-單晶硅片上制造MOSFET結(jié)構(gòu)的, 然后在背面研磨減薄到所需的上述厚度后, 從背面進行硼離子注入形成p型集電區(qū), 再做背面金屬電極而成。現(xiàn)代離子注入技術(shù)可精確地控制注入劑量和能量, 使NPT-IGBT參數(shù)離散性十分小。NPT-IGBT制造中用離子注入制造成的p型集電區(qū)的厚度不足1μm, 有意識地將摻雜濃度控制到遠(yuǎn)低于PT-IGBT的p+襯底中的濃度, 于是集電極空穴注入效率遠(yuǎn)低于0.5, 實現(xiàn)了透明集電區(qū)的要求。集電極電流中大部分為電子電流, 而不是空穴電流, 其工作機理以電導(dǎo)調(diào)制MOSFET為主。

由于采用了透明集電區(qū)技術(shù), 使得NPT-IGBT與PT-IGBT相比, 具有以下主要性能特點:通態(tài)電壓UCE sat呈正溫度系數(shù), 見圖7c;功耗和電流拖尾隨溫度的變化小;功耗與PT-IGBT處于同一技術(shù)曲線上的高速度端 (PT-IGBT處于低通態(tài)壓降端) ;因不用外延片和不用壽命控制技術(shù)而成本低。

開發(fā)NPT-IGBT的初衷是擺脫昂貴的高阻外延片, 以降低1.7k V以上高壓IGBT的制造成本, 因為厚度100μm以上的外延技術(shù)困難且成本極高, 而透明集電區(qū)NPT-IGBT具有的電壓正溫度系數(shù)、開關(guān)速度快和可靠性高的優(yōu)良性能使它極具吸引力。所以, 趨于朝1.2k V和600V低壓IGBT方向發(fā)展, 但它們的制造過程分別需要加工175μm和100μm的薄硅片, 碎片和翹曲等問題將嚴(yán)重地影響生產(chǎn)成品率, 成為極大的挑戰(zhàn)。

實際上現(xiàn)在所說的FS-IGBT類產(chǎn)品基本都是FS技術(shù)和透明集電區(qū)技術(shù)新概念的聯(lián)合, 而不是單純的FS技術(shù)。它是在NPT-IGBT基礎(chǔ)上為進一步降低功耗而發(fā)展起來的。從原理上講, FS-IGBT包括重穿通和輕穿通型兩種, 各制造廠家也有不同的名稱, 如FS-IGBT, 軟穿通IGBT (Soft-Punchthrough IGBT, 簡稱SP-IGBT) [4]和LPT IGBT, 薄片PT-IGBT等等。

圖8示出結(jié)構(gòu)、載流子分布和功耗的比較圖。相對NPT來說, FS技術(shù)的加入, 使得采用更薄的n-耐壓層能達到: (1) 與NPT-IGBT同樣的擊穿電壓; (2) 電阻更小, 可降低UCE sat; (3) 導(dǎo)通時存儲的過剩載流子總量減少, 使關(guān)斷時間縮短, 因而Eoff小。

透明集電區(qū)溝槽柵場中止型IGBT (Trench FS IGBT) 是挖槽 (Trench) 技術(shù)、FS技術(shù)和透明集電區(qū)技術(shù)新概念的集大成, 它具有最低的功率損耗。因單位面積功率損耗顯著減小, 因此可用較小面積的芯片制造出同樣額定電流和額定功率的器件。以1.7k V IGBT為例, Trench FS IGBT的芯片面積比前一代非Trench產(chǎn)品減小了1/3, 降低了制造成本, 而且飽和壓降也大大降低。然而, 挖槽以后會在加工過程中增加芯片的翹曲, 變形等問題, 使制造難度比FS-IGBT更大。

軟穿通 (Soft-Punch-Through, 簡稱SPT) IGBT原理上屬于FS-IGBT的一種, 都是電場中止技術(shù)與透明集電區(qū)技術(shù)的結(jié)合, 從功耗折衷表曲線來看, 屬于同一代技術(shù)。但是SPT-IGBT具有以下結(jié)構(gòu)特點: (1) n-耐壓層相對許多FS-IGBT來說略寬一些, 屬于圖2b所示的輕穿通型; (2) n型電場中止層, 即緩沖層是從硅片背面熱擴散形成的, 其平均摻雜濃度較低, 并且是從n-/n界面開始濃度逐漸變高。SPT+是為了進一步減小UCE sat而在SPT結(jié)構(gòu)上再加上圖6所示的EP-IGBT近表面層新技術(shù), 使125℃時的UCEsat比SPT又減小25%, 而其他特點保持不變。

注入增強柵晶體管 (Injection Enhanced Gate Transistor, 簡稱IEGT) 是IGBT的一種, 其最大技術(shù)特征是采用了加寬pnp管間距的近表面層注入載流子濃度增強技術(shù), 見圖5。IEGT也有許多結(jié)合其他先進技術(shù)的不同結(jié)構(gòu)。最先進的IEGT是表面層注入載流子增強技術(shù)與Trench技術(shù)、FS技術(shù)、透明集電區(qū)技術(shù)和局部載流子壽命控制技術(shù)的集大成產(chǎn)品, 其目標(biāo)是在高壓大電流領(lǐng)域取代GTO, 并在開關(guān)速度上超過GTO。

高電導(dǎo)率IGBT (High-Conductivity IGBT, 簡稱Hi GT) 有很多不同結(jié)構(gòu)。它在非透明集電區(qū)PT-IGBT的基礎(chǔ)上, 采用圖5的空穴阻擋層技術(shù)使UCE sat顯著降低, 總功耗也隨之顯著降低。Hi GT也有平面柵和溝槽柵兩種, 后者性能更好, 但加工過程也更復(fù)雜。與IGBT相比Hi GT的最大特點是, 由于靠近空穴阻擋層處空穴濃度顯著升高, 使UCE sat顯著減小, 但其最大集電極自限定電流并不增大, 非常有利于短路安全工作。此外, 雖然仍采用壽命控制技術(shù), 但UCE sat具有正溫度系數(shù), 利于并聯(lián)使用和熱穩(wěn)定。應(yīng)用空穴阻擋層技術(shù)的溝槽柵IGBT又稱為CSTBT。

IGBT自誕生以來的二十余年獲得了迅速發(fā)展。下層結(jié)構(gòu)透明集電區(qū)技術(shù)的應(yīng)用降低了制造成本, 改善了溫度性能和開關(guān)性能;中層結(jié)構(gòu)電場中止技術(shù)的采用降低了通態(tài)損耗和開關(guān)損耗;上層結(jié)構(gòu)溝槽柵技術(shù)和載流子增強技術(shù)的采用大幅度降低了飽和電壓, 提高了額定電流;終端處理技術(shù)的進步使平面技術(shù)已能制造6.5k V額定電壓的器件。但是在電壓、電流范圍方面還不能完全取代GTO, 在工作頻率上還未能從幾十千赫茲推進到幾百千赫茲。