五代IGBT及其三种新技术优化方案

1.五代IGBT的发展历程

自1984年巴利伽提出IGBT的概念，20多年来IGBT演变出了5个基本代，各代IGBT的技术特点及相关参数表示在表3-4中。由表可见IGBT在逐代演变中成长、成熟，第5代的芯片面积和功率损耗都大约减小到第1代的1／3，元胞特征尺寸、导通压降都逐代下降，这里的性能指数计算公式如下

式中，FOM为IGBT的综合性能。

表3-4 IGBT演变的5个基本代

由于这里涉及穿通型（Punch Through，PT）和非穿通型（Non Punch Through，NPT）IGBT的概念，下面先对其进行解释。

穿通型IGBT是在较厚的高浓度P＋衬底（约50μm）上利用传统外延法生长一层N^＋缓冲层（约10μm），再在其上继续外延生长一层厚的N-漂移层（约100μm），然后扩散P阱，再在P阱上扩散N^＋发射极。穿通型IGBT的穿通击穿电压小于雪崩击穿电压，即加电压发生穿通击穿前不会发生雪崩击穿。这种IGBT的优点是缓冲层的引入使通态压降较小。但是，在高频（20kHz以上）高温（60～80℃）状态开关工作时，PT-IGBT存在内在缺陷：拖尾电流大，极易造成应用时的短时桥臂直通；通态、断态和开关特性恶化，一致性差；安全工作区在高压大电流时呈圆弧状收缩，失效几率上升；此外，随着耐压要求的提高，需要生长厚外延层，制造成本大幅提高。因此，PT-IGBT只适合低温低频应用领域。

从穿通型到非穿通型技术，是最基本的、也是很重大的概念变化。

非穿通型IGBT则由本底单晶硅片制成，它在低浓度N型区熔硅片上，正面扩散形成高浓度P阱及N＋发射层，背面离子注入形成浓度不高厚度较薄的P型层（小于10μm），无需较厚的外延层及N^＋缓冲层，总厚度较薄（100μm左右）。非穿通型IGBT的穿通击穿电压大于雪崩击穿电压，即发生雪崩击穿前不会发生穿通击穿。这种IGBT的优点是：在优质单晶结构的N-区上完成整个器件，没有晶格排列不整齐、质量欠佳的异型外延层；开关安全工作区呈矩形，在高压大电流下不收缩；N区不掺特性易随温度变化的铂等少子复合中心，高温性能稳定；P区浓度不高，注入空穴少，复合快，开关速度快；引入的双极负温系数成分少，高温下电流分布均匀。不足之处在于，没有N^＋缓冲层，N-区相对较厚，使通态压降较大，不过由于是亚微米线条精度生产，单位面积元胞数增加，虽然每个小元胞的等效电阻变大，但并联数增加，所以通态压降只是略微上升。此外，薄芯片的操作工艺也是一大挑战。总的来说，NPT-IGBT的出现是IGBT技术发展过程中的重大突破，它协调了各参数，具有更好的高温可靠性，目前是100kHz以内中大功率电力电子应用的主流开关。

图3-84所示为第一代平面栅穿通型外延衬底IGBT，这是IGBT提出时的原型产品。它通过将功率MOSFET的N型衬底换成P型，引入电导调制，控制MOS分量和双极分量的比例。采用PT结构，减薄外延层厚度。在70％额定电流处，电阻温度系数由负变正。这一代IGBT的阻断电压还比较低，约600V左右。

图3-84 第一代平面栅穿通型外延衬底IGBT

图3-85所示为第二代采用缓冲层、精密控制图形和少子寿命的平面栅穿通型外延衬底IGBT。器件横向采用精密图形，减小每个元胞的尺寸。采用专门的扩铂与快速退火措施，控制基区内少数载流子寿命合理分布，锁定效应得到有效抑制。这一代IGBT的耐压达到1000V。

图3-85 第二代采用缓冲层、精密控制图形和少子寿命的平面栅穿通型外延衬底IGBT

图3-86所示为第三代沟槽栅型IGBT。它采取沟槽栅结构代替平面栅，干法刻蚀掉JFET部分，减少了串联电阻，侧壁氧化层外侧的P区内形成垂直于硅片表面的沟道。由于这种IGBT的通态压降中剔除了JFET这块串联电阻的贡献，压降可降得更低，1700V的IGBT面世了。

前三代的IGBT都是PT型的，PT-IGBT发展至此待解决的最主要问题包括：高压器件成本高，厚层高阻外延片十分昂贵，如1700V的IGBT外延层需170μm，3300V的IGBT外延层则约需330μm；不适于并联使用，这是通态压降的负温度系数所致，即电流正温度系数：某管电流偏大，致使温度上升，则电流继续增大，温度继续上升，最后电流集中于此管而使器件烧毁，图3-87示意了这种温度系数特性；功耗有待进一步降低，总功耗＝通态损耗＋开关损耗，而通态损耗和开关损耗对同一代技术是相互矛盾、互为消长的，图3-88表示了这种功率器件的功耗折中线。

图3-86 第三代沟槽栅型IGBT

图3-87 通态压降的负温度系数

图3-88 功率器件的功耗折中线

图3-89 第四代非穿通型IGBT

第四代非穿通型IGBT在器件技术和性能上发生了很大转折，其结构图如图3-89所示。这一代IGBT用区熔单晶硅片代替了高阻厚外延层，器件在全电流范围的工作区内都呈现正电阻温度系数，至此IGBT跨入了大功率应用领域，2500V／1000A的IGBT问世了。第四代NPT-IGBT的主要性能特点包括：不用外延片，制造成本低；采用透明集电区结构，比PT-IGBT的关断损耗更小，更适于高频应用；不采用载流子寿命控制技术，使通态压降具有正温系数；耐压层厚，通态压降比PT-IGBT大，这一点不利于低频应用；由于具有正温度系数和采用了非外延片，所以芯片坚固不易损坏。图3-90和图3-91分别表示了NPT-IGBT的温度特性和功耗技术曲线。

图3-90 NPT-IGBT的温度特性

图3-91 NPT-IGBT的功耗技术曲线

图3-92所示为第五代电场截止型（Field Stop，FS）IGBT，FS-IGBT吸收了PT-IG-BT和NPT-IGBT两类器件的优点，引入电场截止层（又称弱穿通层）使硅片厚度减薄1／3，同时保持了正电阻温度系数因而具有自均流效应，便于多芯片并联，引入了载流子存储层（详见后文介绍）。此种结构的IGBT已达到单管6500V的水平。

图3-92 第五代电场截止型IGBT

图3-93将PT-IGBT、NPT-IGBT和FS-IGBT的结构示意图放在一起，让读者有一个总体认识和比较。图3-94分别表示了3种结构的IGBT的通态压降U_CE（on）、关断损耗E_off与温度的关系，由图可见U_CE（on）和E_off均与温度有关，其中U_CE（on）与温度关系的变化斜率就是温度系数。我们知道少数载流子的寿命随着温度的增加而增加，所以温度上升使PT-IGBT的E_off显著增加，由于在工作电流下也产生大量的少数载流子，因而使U_CE（on）略微降低。对于NPT-IGBT和FS-IGBT，由于注入适量的少数载流子，而非大注入情况，因此，随着温度上升E_off适量增加。随着温度上升，少数载流子寿命的增加不足以抵消硅电阻的增加，因而使U_CE（on）增加。所以在室温下一种类型的IGBT可能比另一种类型性能好，但在较高温度下则有可能不同。

图3-93 PT-IGBT、NPT-IGBT和FS-IGBT的结构示意图

a）穿通型 b）非穿通型 c）场止型

图3-94 3种结构的IGBT的通态压降U_CE（on）、关断损耗E_off与温度的关系

a）U_CE（on）与温度的关系 b）E_off与温度的关系(www.xing528.com)

2.第五代IGBT的3种新技术

第五代IGBT代表了目前IGBT制造的最高水平，它采用了3种最具魅力的关键技术：采用载流子存储的沟槽栅双极型晶体管（Carrier Stored Trench-gate Bipolar Tran-sistor，CSTBT）结构以提高器件性能；控制沟道密度的插入式组合元胞（Plugging Cell Merged，PCM）技术；协调高压化和高速化且提高破坏耐量的轻穿通（Light Punch Through，LPT）技术。

IGBT中有一用以维持断态电压的高阻层—N^-漂移层，导通时，该层的电阻由于P集电极注入的空穴而下降，使额定损耗降低。但是导通时在N^-漂移层积蓄的空穴密度距集电极越远处会越低，发射极侧附近N^-漂移层部分的电阻难于减小，因此通态电压高。高压器件的N^-层越厚，这一问题越突出。CSTBT的重要特征是在P基区层与N^-层间附加一掺杂较高的N层，如图3-92所示。PN结的电位比PN^-高0.2V，对从P层向N-层注入的空穴是一势垒。从P集电极层注入的载流子很难穿过发射极侧，因而聚集在P基区层下，实现了发射极侧空穴密度的调整，形成通态N^-层空穴的高密度分布。存储的电荷不会影响器件的开关性能，但能使通态电压减小、通态电压与关断损耗的折中得到改善。

槽型IGBT有一个特点就是通电电流密度可能非常高，作为短路耐量这一点对逆变装置是一个不利的特性。第4代模块是靠外加IC以限制短路电流的，同时槽型IGBT比第3代以前的平面型IGBT的输入容量大，这又是优点之一。采用扩展沟道间隔，减小沟道密度（接近平面IGBT）的方法来减小通电电流密度，将一些槽栅做成同发射极短路并置于槽间以扩展槽间距，而沟道是不导通的，这就是PCM，如图3-95所示。由此可以得到同平面IGBT一样的栅电荷量和高的短路耐量。

图3-95 PCM技术改善短路耐量

作为IGBT的衬底材料可以是外延片，也可以是单晶片。采用的结构有PT型和NPT型。通常PT型对降低通态压降有利，而NPT型对提高击穿耐压有利。集两方面长处为一体的“薄厚”结构是介于PT与NPT之间的一种IGBT，即LPT。它采用两层外延生长，与PT相比，背面的N^＋缓冲层和P集电极层直接由高精度的离子注入形成，其最适深度和浓度的自由度大。与NPT相比，它有自己的设计原则：以额定电压下空间电荷层达到缓冲层为限来设计衬底材料的电阻率，确保最高阻断电压下选取基片的最小N^-层厚度。图3-96为NPT与LPT剖面的比较。由于提高了破坏耐量，增加了设计和制造的自由度，可以降低成本，有价格优势。

图3-96 NPT与LPT剖面的比较

3.6.5kVIGBT

为适应电铁领域的温度环境对安全工作区的严格品质、性能要求，日本三菱公司开发出了6.5kV级的IGBT芯片及二极管，其主要特性见表3-5。芯片采用LPT结构、衬底N^-层厚度与电阻率ρ最佳协调的元胞设计，选取确保集电极-发射极耐压的下限N^-厚度，以实现低的饱和压降U_CE（sat）与关断损耗E_off。实验得到P^＋／N^＋层浓度比γ₁与U_CE（sat）、高温漏电流I_CES（hot）的关系，如图3-97所示。

表3-5 6.5kV级的IGBT的主要特性

图3-97 P^＋／N^＋层浓度比γ₁与U_CE（sat）、I_CES（hot）的关系

降低P基区层夹断电阻，提高RBSOA。IGBT关断时，N^-层残存的空穴通过P基区层流向发射极，此时的空穴流成为NPN晶体管的基极电流，如图3-98所示。当N^＋源区下P基区层电阻高时，横向电压使NPN开通，派生晶闸管动作使擎住发生，IGBT热击穿。为了降低关断时的夹断电阻，将N^＋层正下方的夹断电阻分路。通过主体P基区层深扩散，从而提高主体P基区层的电场强度，使电场集中从N^＋下P基区层移向主体P基区层，以减小通过N^＋源区下P基区的电流，抑制寄生晶闸管的动作。

图3-98 提高断态耐量的措施

a）常规结构 b）主体P基区层深扩散

4.IGBT模块技术

图3-99 IGBT模块功率损耗的变迁

IGBT模块从1980年产品化开始，由于引入微处理器的微细加工技术，单胞设计从5μm的精度提高到1μm，到2000年，芯片的电流密度提高到2倍，饱和电压降为原来的65％，功率损耗大幅度降低，从而提高了电力变换和控制装置的效率。图3-99为IGBT模块功率损耗的变迁。第五代IGBT模块具有以下主要特点：采用高速CSTBT芯片实现低损耗；与第三代产品的尺寸相同，驱动特性相似，可以互换；采用了高速软恢复二极管；采用了低电感的封装方式；寿命长；采用氮化铝陶瓷，实现了低热阻。

第五代智能功率模块（Intelligent Power Module，IPM）具有以下特点：

（1）芯片技术 为降低损耗采用平面栅为0.8μm的CSTBT芯片实现低的通态压降与关断损耗的最佳协调；采用了与第4代IPM相同的寿命控制技术以降低噪声。

（2）控制电路技术 为降低开关损耗和EMI噪声，开发了新的控制IC芯片，测定结果表明比第四代IPM降低10dB。

（3）新结构封装技术

1）实现了模块小型化，以1000A为例，体积减小到60％。

2）低电感布线，采用0.4mm的绝缘纸减小极间距，使电感降低了50％。图3-100所示为主电极断面结构及电流路径。

图3-100 低电感布线的主电极断面结构及电流路径

3）主电极端子用带绝缘层的平行平板连接，抑制了电磁场的影响，减小了配线电感，提高了组装质量。控制端子的设计为组合式连接器，每个端子带两个插头并附自锁机构，连接可靠性高。

模块的失效主要由以下几方面因素引起：引线焊接部位热应力引起的龟裂；通过对温度分布的解析和实测表明：焊接引线的数量与位置对电流分布有影响，从而造成不同IGBT温升的差异；绝缘基板和金属基板大面积焊接部位热应力龟裂引起热阻增加，导致散热恶化。为了减少因焊接部位热循环疲劳引起的寿命劣化，三菱电机对部件材料提出了要求：选择膨胀系数尽可能接近的材料。实验表明，AlSiC可提高焊接的疲劳寿命10倍。同时指出焊接的焊料厚度的分散性严重影响着龟裂的程度，增加焊接的厚度和提高均匀性可适度抑制龟裂。采用ヮィャバンプ方式可有效提高焊接厚度均匀性。

5.逆阻型IGBT

作为下一代交-交直接变换的矩阵变换器，由于省掉了中间直流环节，具有不需电容、体积小、维护方便、可抑制谐波等众多优点引人注目。但是电路中所用的IGBT由于反向不具有电压阻断能力，往往是通过串联一个二极管来实现的。这样损耗成了IG-BT和二极管损耗的和，器件数也多了。由此开发了一种具有反向阻断能力的IGBT，称为逆阻型IGBT（Reverse Blocking-IGBT，RB-IGBT）。

为了确保IGBT能够承受反向电压，富士电机采用了高掺杂的P＋衬底上外延一N^＋层的NPT-IGBT结构。通过挖深槽，形成正斜角结终端。如图3-101所示为腐蚀槽的断面结构。所开发的600V／50A级RB-IGBT中，为了协调通态特性和开关损耗，采用电子辐照、He离子辐照调整，实现少子寿命局部减少的控制。

三菱电机采用NPT结构，P层深扩散隔离工艺制出1200V／100A级RB-IGBT，具有与第3代平面栅IGBT等同的性能，与以前的IGBT同二极管串联的电路比，呈现出格外好的特性。

图3-101 逆阻型IGBT腐蚀槽的断面结构