IGBT技术的演进与应用

1.IGBT的发展历程

1979年的MOS功率开关器件是IGBT概念的先驱，这种器件表现为一个类似晶闸管的结构（P-N-P-N四层组成），其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成了V形槽栅。

20世纪80年代初期，用于功率MOSFET制造技术的DMOS（double-diffused metal-ox-ide-semiconductor，双扩散金属-氧化物-半导体）工艺被采用到IGBT中来。在那个时候，硅芯片的结构是一种较厚的NPT（非穿通）型设计。后来，通过采用PT（穿通）型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进，这是随着硅片上外延技术的进步，以及采用对应给定阻断电压所设计的N⁺缓冲层而进展的。由于功率垂直平面型双扩散金属氧化物半导体（Vertrical Planar Double-Diffused MOS，VDMOS）的发展遇到了提高电压与降低导通电阻之间的尖锐矛盾，RCA公司、GE公司、摩托罗拉公司几乎同时研制出了IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）。IGBT是在功率MOSFET的阳极加入P⁺层，即IGBT的集电极侧为P⁺层，从而增加了一个P⁺N结，因而工作时在载流子漂移区引入电导调制效应，从而克服高压工作与导通电阻的矛盾，其导通电阻比普通的功率MOSFET降低了10～20倍。由于这种结构而产生的寄生PNPN晶闸管，在特定条件下（如过电流）导通时，会产生锁定现象，从而失去自关断能力，因而该结构在20世纪80年代中期被500V/25A级的无锁定器件所代替，并使IGBT的应用范围得以迅速推广。几年当中，这种在采用PT设计的外延片上制备的DMOS平面栅结构，其设计规则从5μm发展到3μm。

20世纪90年代中期，沟槽结构IGBT采用硅干法刻蚀工艺技术，但仍然是穿通型芯片结构。沟槽结构IGBT的重要改进是在通态电压和关断时间之间进行了折衷设计。

硅芯片的垂直结构也得到了急剧的转变，先是采用非穿通结构，继而变化成弱穿通（LPT）结构，这就使安全工作区（SOA）得到同表面栅结构演变类似的改善。

这次从穿通型技术发展到非穿通型技术，是最基本的，也是很重大的概念变化。这就是：穿通技术会有比较高的载流子注入系数，而由于它要求对少数载流子寿命进行控制致使其输运效率变坏；非穿通技术则是基于不对少子寿命进行控制而有很好的输运效率，不过其载流子注入系数却比较低。进而言之，非穿通技术又被弱穿通技术所代替，它类似于所谓的“软穿通”（SPT）或“电场截止”（FS）型技术，这使得IGBT器件的“成本-性能”的综合效果得到进一步改善。

1996年，CSTBT（载流子储存的沟槽栅双极晶体管）使第5代IGBT模块得以实现，它采用了弱穿通（LPT）芯片结构，又采用了更先进的宽元胞间距设计。目前，包括一种“反向阻断型”（逆阻型）功能或一种“反向导通型”（逆导型）功能的IGBT器件的新概念正在进行研究，以求得进一步优化。

在IGBT的发展过程中，主要的研究课题是改善饱和电压和开关特性的折衷关系，为降低饱和电压采用的主要技术有栅极氧化膜的最佳化、单胞尺寸的微细化和最佳化、降低关断电阻的新结构、新的寿命控制法。为降低下降时间所采用的主要技术有N+缓冲层、P+集电极层的浓度和厚度最佳化、新的寿命控制法。通过上述技术的应用使IGBT从第1代进入第2代，其饱和电压、下降时间都比第1代降低了30%以上。日立公司采用了全自对准技术，使阴极部分的N+区实现微细化，导通电阻降低了1/3。闭锁电流由以前的300A/cm²改善至1100A/cm²。三菱公司引入阳极-发射极短路的方法，使N-漂移区内储存的电子由阳极短路部分排除到外部，缩短了关断时间，得到在没有寿命控制的情况下，关断时间由12ms缩短到0.19ms。第2代IGBT的关键技术是寻求图形或片子的最佳化；2.5代产品主要是抑制寄生器件；第3代引入了微细化工艺来改善IGBT的综合特性；第4代采用了沟槽技术降低饱和电压；第5代产品将实现有选择的寿命控制，饱和电压和关断下降时间将降到1.5V/0.1ms。第3代产品比第2代功耗降低了20%。开发的第4、5代产品其主要特征为较低的通态电压、较短的关断时间、低损耗、高频率、无闭锁。第4代器件中采用沟槽结构，通过降低功率MOSFET部分的沟道电阻，改善饱和电压，将比第3代器件功耗可再减小20%。

IGBT在20世纪80年代诞生，在20世纪90年代初进入实用化。与其他电力电子器件相比，IGBT具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路、开关频率高、电压型驱动、驱动功率小、开关速度高、饱和压降低以及可耐高电压、大电流等一系列应用上的优点，并可用IC来实现驱动和控制，进而发展到把集成IGBT芯片、快速二极管芯片、控制和驱动电路、过电压/过电流/欠电压保护电路，钳位电路以及自诊断电路等封装在同一绝缘外壳内的IPM，为电力电子设备的高频化、小型化、高可靠性和高性能奠定了器件基础。为了达到这些高性能，采用了许多用于集成电路的工艺技术，如外延技术、离子注入、精细光刻等。要提高IGBT的耐压能力，势必增加导通电阻，从而妨碍器件在高电压、大电流范围的应用。针对这些缺陷，近几年来，IGBT的性能提高很快，额定电流已达数百安培，耐压达1500V以上，而且还在不断提高。由于IGBT器件具有PIN二极管的正向特性，P沟道的IG-BT的特性不比N沟道的IGBT差多少，这非常有利于在应用中采取互补结构，从而扩大其在变流和数字控制技术领域中的应用。IGBT器件已成为当前在工业领域应用最广泛的电力半导体器件。其硬开关频率达25kHz，软开关频率可达100kHz。而新研制成的霹雳（Thun-derbolt）型IGBT，其硬开关频率可达150kHz，在谐振逆变软开关电路中可达300kHz。

到目前为止美国和日本生产的IGBT产品已系列化，从600V/8A～1200V/600A的器件已产品化，耐压为1800V的器件也研制成功。日本富士通公司研制出了2500V、1200A的IGBT。IGBT在功率半导体器件市场上的份额日趋增大，提高功率控制容量和集成化、智能化、高频化、低损耗是IGBT的主要发展方向。目前，IGBT主要的生产厂商有日本东芝公司、富士通公司、三菱公司、日立公司；德国的西门子公司；美国的国际整流器公司。

IGBT的未来发展趋势有两个方向，一是超大功率IGBT模块，二是超快速IGBT。由于IGBT较功率MOSFET有着更大的电流密度（同等输出功率的IGBT与功率MOSFET相比，IGBT的芯片面积只有功率MOSFET的40%），且IGBT内部没有寄生的反向二极管，这使得IGBT的效率更高、应用更灵活。在中等电压范围内（370～600V），IGBT已应用到了150～180kHz的频率范围（如美国INTERSIL公司的SMPSIGBT系列和IR公司的WARP-SPEEDTMIGBT系列）。

2.IGBT的基本特点

IGBT凝聚了高电压大电流晶闸管制造技术和大规模集成电路微细加工技术的精华，表现出很好的综合性能。IGBT最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击，而使其适用于并联应用，由于本身的关断延迟时间很短，易于实现器件的串联。尽管IGBT模块在大功率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题，其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外，绝缘材料的缺陷也是一个问题。

IGBT实际上是一种典型的双极MOS复合型功率器件，在功率MOSFET工艺技术基础上的产物。IGBT既具有功率MOSFET的高速开关及电压驱动特性，又具有双极晶体管的低饱和电压特性及易实现较大电流的能力，是近年来电力电子领域中最令人注目及发展最快的一种器件。IGBT将BJT（Bipolar Junction Transistor，双极结型晶体管）的电导调制效应引入到VDMOS的高阻漂移区，大大改善了器件的导通性，同时它还具有功率MOSFET的栅极高输入阻抗。开通和关断时均具有较宽的安全工作区，IGBT的应用范围基本上可替代了传统的晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、双极结型晶体管（BJT）等器件。

IGBT采用了纵向二次扩散的N沟道结构，在P+衬底上生长N型漂移层，然后用与功率MOSFET相似的工艺在漂移层上形成DMOS栅结构制作而成的。初看起来IGBT是由PNP和NPN两个晶体管组成的晶闸管，但由于其中的NPN晶体管不起作用，因此实际上IGBT等效于N沟道功率MOSFET作为输入级，PNP晶体管作为输出级的MOS驱动的达林顿晶体管。IGBT的基本工作原理为在栅极发射极之间加上足够大的正向电压，使表面功率MOS-FET导通。由于集电极侧的P+层和N-层之间的正向偏置，产生由P+层向N-层的空穴注入。与注入空穴的正电荷等量的电子集中于N-层，使N-层的电阻减小（电导率调制），IGBT导通。当栅极—发射极之间的电压降低，表面功率MOSFET关断，无空穴注入，已注入的空穴因寿命终止而减少，残留的空穴成为向P+层直接流出的电流，此过程结束时达到关断状态。IGBT的静电特性基本上与功率MOSFET相同，其动态特性也类似于功率MOS-FET。但由于有空穴注入，所以IGBT有拖尾电流存在。

IGBT还具有功率晶体管漂移区电导调制、导通损耗低的特点，且比功率MOSFET有着更大的电流密度、更高的功率容量和较高的开关频率、更宽的安全工作区。这些优势使IG-BT在600V以上中等电压范围内成为主流的功率器件，且正逐渐向高压大电流领域发展，挤占传统SCR、GTO的市场份额。在器件研究方面，研究人员着重对IGBT正向导通时漂移区少数载流子浓度与分布控制的所谓“集电极工程”与IGBT压接式封装技术方面进行研究。商业化的IGBT已发展成系列，电流范围包括从2A的IGBT单管到2400A的IGBT模块，耐压范围涵盖370～4500V。EVPEC公司生产的600A/6500V的IGBT模块已获得实际应用，8000V的IGBT已在ABB公司研制成功。

IGBT是新型电力电子器件的主流器件之一，IGBT在设计上将MOS和双极型晶体管结合起来，在性能上兼有双极型器件压降小、电流密度大和MOS器件开关快、频率特性好的双重优点；在制造上基于高电压、大电流的晶闸管制造技术基础上采用了集成电路微细加工技术。由于IGBT具有功率MOSFET和大功率晶体管（GTR）的双重优点，所以被认为是电力电子最具代表性的器件，甚至有人称：“21世纪是IGBT的时代”。IGBT是一种电压驱动元件，因而栅极驱动电路简单，易于驱动和保护电路的设计，因IGBT有较高的频率（开关），是目前100kHz以下各类功率变换器中应用最普遍和使用的最多的功率器件。IGBT最成功的应用是交流电动机调速和低压变频器、逆变器，尤以变频调速最具代表性。目前，市场销售的低压变频器不管是哪个国家、公司的产品，功率器件几乎都采用IGBT。目前，IG-BT的最高水平为单管：3000A/5000V；模块：1200A/3300V。从器件不串不并的前提出发，IGBT在低于1000kW的功率范围有着广阔的市场。

3.第4代IGBT的基本特点

目前，西门子公司、EVPEC公司已可提供电流从10～2400A，电压范围为600～3300V的IGBT模块，以1.2kA/3.3kV的IGBT为例，其栅极—发射极电压仅为15V，触发功率低、关断损耗小、di/dt、dv/dt都得到有效的控制。当前高压IGBT的研制和应用水平为600～800A/6.5kV，工作频率为18～20kHz，在工艺上，高压IGBT开发主要采取以下技术。

（1）沟槽（Trench）结构

同各种功率半导体器件一样，IGBT向大功率化发展的内部动力也是在减小通态压降和增加开关速度（降低关断时间），在常规的1～2代IGBT中，其MOS沟道是平行于硅片表面的。它的导通电流由两部分组成：MOS分量I_MOS和晶闸管分量I_SCR，为防止闩锁（Latch-up）效应，其MOS分量必须占主导。在I_MOS流通途径中不可避免地存在一个位于栅极下方、夹在P型基区中间的电阻R_JFET（结型场效应晶体管JFET），由于平面结构IGBT的栅极处于表面，受到微细加工技术水平的限制难以降低和消除R_JFET的影响。R_JFET成为提高频率特性、缩小通态压降的障碍。第4代IGBT采用特殊的工艺制成沟槽结构，沟槽结构是在芯片内部，采用微细化加工技术。为了减少MOS部分的沟道阻抗，挖掉了R_JFET，把MOS沟道移到垂直于硅片表面的位置，元胞尺寸可减少到20%。这样可提高硅片利用率，减小通态压降，也为其频率参数的改善创造了新的可能性。由折衷特性可知，采用沟槽结构只要35%的芯片面积就可以实现平面结构（100%芯片）的特性。今后随着微细加工技术的进步以及新的衬底材料的采用，可以实现更低的损耗、更高的效率。

（2）（NPT）结构(www.xing528.com)

非穿通（NPT）IGBT采用N型Si衬底，N-区厚度是穿通（PT）结构的1.5～2倍，而集电区厚度是穿通（PT）结构的1/60。因而下降时间短，开关损耗小，同一芯片尺寸和同一电流额定值的NPT结构IGBT（75A/1200V）的关断损耗为PT型IGBT的60%，与功率MOSFET相同，NPT结构的IGBT芯片具有正电阻温度系数、易于并联使用，有长的N-区，易于实现高电压，600A/4500V的NPT结构IGBT模块已用于机车牵引，芯片热阻小，P+发射区是“超薄”的（只有几微米）。而PT结构IGBT发射区厚度大于300μm。1200V的NPT结构比PT结构IGBT的热阻下降40%。采用NPT结构取代PT结构，这是IGBT大功率化的必由之路。

（3）IGBT高频化

一段时间以来，IGBT的工作频率限制在20kHz以下，在采用软开关拓扑的电路中最多可工作到50kHz以下，1998年在第4代IGBT技术的基础上，美国IR公司（WARP系列）和APT公司（GT系列）开发了命名为霹雳型IGBT的新器件，由二维集成转向三维集成。其额定电压达到600V，额定电流为0～100A。其硬开关工作频率可达150kHz，谐振逆变软开关电路可达300kHz。它的开关特性已接近功率MOSFET，而电流密度则为功率MOSFET的2.5倍，即相同电流时它的硅片面积大大减小，故成本有所降低。

（4）逆导型IGBT和双向IGBT

逆导型IGBT和双向IGBT是为适应不同应用线路的需要而研制的IGBT派生器件。

4.新技术动向

（1）微细加工技术

对于功率MOSFET的研究，耐压与通电阻已接近理论极限。采用微细加工制作的平面型IGBT，其单元尺寸大大减少。利用微细加工技术制作的槽栅，其沟道电阻与平面型相比要小近一半（对60V）。微细加工的沟槽结构还有效地改善了IGBT的性能，低的沟道电阻有利防止NPN寄生双极晶体管的误动作，实现IGBT高速、高耐压的协调。微加工技术的引入使电力器件家族中增加了众多新成员。

（2）器件的设计技术

利用器件设计技术改善电力半导体性能典型实例之一是NPT-IGBT和续流二极管（FWD）的低压降化，新设计的NPT结构同PT结构比具有耐压能力强、器件并联运行容易、并联损耗随温度变小等一系列特点。另外，利用数值解析、仿真，进行工艺优化、结构优化。并研究同电路的相互作用、电流分布、发热和冷却、热应力的产生、电磁场产生、破坏解析等。

（3）高耐压SOI技术

SOI（Silicon On Insulator，绝缘衬底上的硅）指的是在Si基片中间存在着氧化膜结构，氧化膜上的Si叫“活性层”，下层的硅称为“台基极”，使用的Si活性层厚度是7μm，中间氧化膜厚度2μm，可以实现250V高耐压。SOI技术广泛用于功率集成和系统集成。

（4）功率器件的智能化技术

功率器件的智能化有两个发展方向，其一是将外围电路集成于一个芯片的单片集成（Smart-power IC）。目前，功率仍较小，在汽车领域有广泛的应用。其二是前面提过的IPM。IPM具有以下特点：

1）低损耗，采用第4代沟槽型IGBT的IPM与第3代相比损耗可降低30%。

2）可实现PAM控制，电源输出范围广。

3）可实现额定负载率99%以上的高功率因数。

4）负载切换时可以抑制电压的上升率。

5）具有过电压、短路、过热等保护功能。

6）模块外形尺寸和安装尺寸标准化，使模块化占用安装空间小，安装和维护更加方便。

7）适于高频应用，谐波符合IEC标准。