IGBT基本结构与工作原理详解

IGBT自发明以来, 其应用领域不断扩展。它不仅在工业应用中取代了MOSFET, GTR, 甚至已扩展到SCR, GTO占优势的大功率应用领域, 还在消费类电子应用中取代了双极性晶体管BJT, MOSFET功率器件的许多应用领域。IGBT额定电压和额定电流所覆盖的输出容量已达到6MVA, 商品化IGBT模块的最大额定电流已达到3.6k A, 最高阻断电压为6.5k V, 并已成功应用在许多中、高压电力电子系统中。另一方面, 由于IGBT具有电导调制效应, 电流密度比MOSFET的大, 因而在同等容量下, 其成本比MOSFET的低。一种短拖尾电流, 高频类600V IGBT分离器件已面世, 其硬开关频率可达150k Hz, 已进一步扩展到功率MOSFET的应用领域。用高频IGBT分离器件替代功率MOSFET具有成本低, 可靠性高的优势。

由于MOSFET, IGBT是驱动功耗十分低的电压驱动型功率半导体开关器件, 它们将进一步促进功率半导体集成技术 (PIC, IPM等) 的快速发展, 进而易于与信息电子技术密切结合, 由它们所引起的电力电子技术的变革堪称是一场革命。

IGBT是一个工作原理复杂的集成功率半导体器件。结构上, IGBT几乎集成了半导体器件的所有基本结构, 如二极管、BJT、结型场效应晶体管JFET, MOSFET, SCR。IGBT的结构参数发生变化, 将引起其性能发生相应的变化。工艺技术上, IGBT利用MOS集成电路工艺进行大面积的功率集成, 设计上表现为单元胞尺寸的缩小, 并联集成的元胞数量越多, 通态压降 (导通损耗) 逐渐减小。IGBT的工艺设计尺寸规则已从5μm先进到0.5μm的亚微米工艺, 晶片加工已从"100mm发展到"200mm。

图1示出已成熟投产的穿通型IGBT (Punch Through IGBT, 简称PT-IGBT) 的原理结构。

这里要特别指出: (1) 理论上, 发射极总电流由与PIN二极管串联的MOSFET, pnp晶体管和pnpn晶闸管3部分电流组成, 其相对大小与具体结构和工作条件有关。正常的IGBT要避免晶闸管的作用, 控制晶体管的作用; (2) 在每个元胞的p型阱区中心处铝电极将pn结短路, 并且加深n型源区下的p阱深度, 两者均为了抑制晶闸管的作用, 避免锁定; (3) p+集电区与n-耐压层之间加入一个n+缓冲层, 其作用是用更薄的n-层得到同样的耐压, 从而减小通态压降和开关时间; (4) 必须采用电子辐照等寿命控制技术, 以提高开关速度。

上述PT-IGBT已获得了比VD-MOSFET更低的通态压降, 以及比双极功率器件更高的工作频率, 而且驱动电路简单, 功耗小。但它还有许多需要改进的地方: (1) 需进一步降低功耗, 包括减小通态电阻, 以降低通态损耗, 减短开关时间, 以降低开关损耗; (2) 改善温度性能。由于过剩载流子寿命随温度升高而变长, 采用寿命控制技术的PT-IGBT, 其UCE sat和Ron具有负温度系数, 因而不利于IGBT并联使用, 关断损耗Eoff具有正温度系数, 会增大高温功耗; (3) 扩展SOA; (4) 降低制造成本等。

集电区层 (下层) 结构的新概念———透明集电区技术, 把IGBT集电极的空穴注入效率降低到0.5以下, 使通过集电结的总电流中电子流起主要作用, 一般达70%以上。在IGBT关断时, n-区存储的过剩电子能透过集电区迅速流出, 实现快速关断。因此, 无需用寿命控制技术。这样不仅得到了高开关速度, 更重要的是具有了UCE sat和Ron正温度系数的宝贵性能, 同时关断损耗随温度变化也很小。这种温度性能可粗浅理解为透明集电区IGBT更接近于n-区电导调制的MOSFET。

n-耐压层 (中层) 结构的新概念———电场中止 (Field Stop, 简称FS) 技术, 其核心是在n-耐压层与p型集电区之间加入一个比n-区宽度小而掺杂浓度更高的n+型缓冲层。按照泊松方程使电场强度在该层中迅速减小到零而达到电场中止, 同时提高n-区的电阻率, 从而以较薄的耐压层实现同样的击穿电压。其主要优点是, 耐压层的减薄可使通态电阻降低和关断损耗减小, 后者是因为通态时存储的载流子总量减少。图2示出n-区的3种宽度设计选择: (1) 耗尽层在工作电压和击穿电压下都穿通的n-区, 属于重穿通, 为FS型; (2) 耗尽层在工作电压下不穿通, 而在击穿电压下穿通n-区, 属于轻穿通, 轻穿通 (LPT) FS有时也称为“软穿通” (SPT) , 亦为FS型; (3) 耗尽层在工作电压和击穿电压下都不穿通n-区, 此时无需缓冲层, 为非穿通型。

形成PT-IGBT之后, IGBT芯片结构上层采用的各种新设计概念主要是为了减小UCE sat, 亦即Ron。这类新设计概念较多, 择要如下。

(1) 沟槽栅技术该技术是在IGBT的Si片正面挖许多浅而密的沟槽, 把栅氧化层和栅电极做在沟槽侧壁上, 因而MOSFET的沟道就成为沿沟槽侧壁的垂直沟道, 图3示出沟槽栅IGBT结构。其优点是: (1) 消除了Ron组成部分中的RJFET; (2) 沟道呈纵向, 每个元胞占据表面积小, 所以单位面积芯片中沟道数与沟道总宽度增加, Rch减小且正比于沟道的宽/长比; (3) 适当的沟槽宽度与间距可以提高n-区近表面层的载流子浓度。以上3项特点都能使Ron比平面栅结构有明显减小。但是也有相伴而生的缺点: (1) 沟道宽度过大, 使栅电容过大, 对开关速度有影响; (2) 不适当的设计会使IGBT的短路电流过大, 短路安全工作成问题; (3) 挖出表面光滑的槽壁, 在技术上困难较大, 不光滑的表面会影响击穿电压, 降低生产成品率。

(2) 近表面层载流子浓度增高技术一般IGBT中, 从p型集电区注入到n-耐压层的空穴向上表面运动过程中浓度逐渐降低, 所以n-区中越接近表面处电导调制作用越弱, 电阻越大。近表面层载流子浓度增高技术就是用各种方法提高n-区中近表面处的电子空穴对浓度, 以最大限度地减小通态电阻。目前, 采用的主要措施是: (1) 加大pnp管横向间距技术。在IGBT中, MOSFET与pnp管是达林顿接法, pnp管的集电结永远处于反偏, 所以n-基区上边缘近pnp管集电结处空穴浓度很低。具体实现方法是:隔几个元胞设置一个pnp管, 这对平面栅和沟槽栅都适用, 图4示出IEGT中用的结构。对沟槽栅IGBT还可简单地加宽沟槽的宽度来实现。 (2) 空穴阻挡层, 即载流子存储层技术。图5示出该技术结构示意图。该技术之一是在IGBT中pnp管的p型集电区周围用一个掺杂浓度略高于n-区的n层包围, 借助n/n-高低结的接触电势差, 使n型相对于n-型具有更高电位, 从而成为使n型相对于n-型具有更高电位, 从而成为阻挡空穴向pnp管集电区流动的势垒, 可以提高n-基区上边界附近的空穴浓度, 改善电导调制, 减小Ron中的RPIN。

该技术之二被称为平面增强 (EP-IGBT) 技术, 是对上述技术的一种改进, 图6示出EP-IGBT结构。研究证明, 图5b的平面型空穴阻挡层技术存在击穿电压降低的问题, 因为位于p阱拐角处的掺杂浓度较高的n型空穴阻挡层有降低击穿电压的不良作用。所以, 改进的用于平面IGBT的空穴阻挡层技术只保留在p阱侧面和正下方的n型附加层, 去除p阱拐角处的n型附加层上, 既显著减小了Ron, 而又不降低击穿电压, 可保持很好的RBSOA效果。

PT-IGBT是历史上沿用下来的名称, 并不严谨。应当在其前冠以“非透明集电区”才与其结构相符, 才能与近年新发展起来的大量透明集电区穿通型IGBT相区别。这里仍沿用PT-IGBT这一名称。它是在p+硅衬底上外延n+缓冲层和n-耐压层, 然后在n-耐压层表面用光刻、氧化、离子注入、热扩散、淀积多晶硅等一系列微电子制造工艺形成MOSFET结构。

它采用了透明集电区新技术概念。以NPT-IGBT为开端, 透明集电区技术的应用开辟了IGBT发展的新纪元。应当在沿用至今的NPT-IGBT前面冠以‘透明集电区’, 才能与1980年IGBT发明初期就出现过的外延型非穿通型IGBT相区别。图7示出1.2k V NPT-IGBT和PT-IGBT两者结构和性能的比较。图7b示出1.2k V系列NPT-IGBT的大致结构参数, n-区厚175~220μm (对600V系列, 约为100μm) 。它是在浮带区熔中子嬗变掺杂的高阻n-单晶硅片上制造MOSFET结构的, 然后在背面研磨减薄到所需的上述厚度后, 从背面进行硼离子注入形成p型集电区, 再做背面金属电极而成。现代离子注入技术可精确地控制注入剂量和能量, 使NPT-IGBT参数离散性十分小。NPT-IGBT制造中用离子注入制造成的p型集电区的厚度不足1μm, 有意识地将掺杂浓度控制到远低于PT-IGBT的p+衬底中的浓度, 于是集电极空穴注入效率远低于0.5, 实现了透明集电区的要求。集电极电流中大部分为电子电流, 而不是空穴电流, 其工作机理以电导调制MOSFET为主。

由于采用了透明集电区技术, 使得NPT-IGBT与PT-IGBT相比, 具有以下主要性能特点:通态电压UCE sat呈正温度系数, 见图7c;功耗和电流拖尾随温度的变化小;功耗与PT-IGBT处于同一技术曲线上的高速度端 (PT-IGBT处于低通态压降端) ;因不用外延片和不用寿命控制技术而成本低。

开发NPT-IGBT的初衷是摆脱昂贵的高阻外延片, 以降低1.7k V以上高压IGBT的制造成本, 因为厚度100μm以上的外延技术困难且成本极高, 而透明集电区NPT-IGBT具有的电压正温度系数、开关速度快和可靠性高的优良性能使它极具吸引力。所以, 趋于朝1.2k V和600V低压IGBT方向发展, 但它们的制造过程分别需要加工175μm和100μm的薄硅片, 碎片和翘曲等问题将严重地影响生产成品率, 成为极大的挑战。

实际上现在所说的FS-IGBT类产品基本都是FS技术和透明集电区技术新概念的联合, 而不是单纯的FS技术。它是在NPT-IGBT基础上为进一步降低功耗而发展起来的。从原理上讲, FS-IGBT包括重穿通和轻穿通型两种, 各制造厂家也有不同的名称, 如FS-IGBT, 软穿通IGBT (Soft-Punchthrough IGBT, 简称SP-IGBT) [4]和LPT IGBT, 薄片PT-IGBT等等。

图8示出结构、载流子分布和功耗的比较图。相对NPT来说, FS技术的加入, 使得采用更薄的n-耐压层能达到: (1) 与NPT-IGBT同样的击穿电压; (2) 电阻更小, 可降低UCE sat; (3) 导通时存储的过剩载流子总量减少, 使关断时间缩短, 因而Eoff小。

透明集电区沟槽栅场中止型IGBT (Trench FS IGBT) 是挖槽 (Trench) 技术、FS技术和透明集电区技术新概念的集大成, 它具有最低的功率损耗。因单位面积功率损耗显著减小, 因此可用较小面积的芯片制造出同样额定电流和额定功率的器件。以1.7k V IGBT为例, Trench FS IGBT的芯片面积比前一代非Trench产品减小了1/3, 降低了制造成本, 而且饱和压降也大大降低。然而, 挖槽以后会在加工过程中增加芯片的翘曲, 变形等问题, 使制造难度比FS-IGBT更大。

软穿通 (Soft-Punch-Through, 简称SPT) IGBT原理上属于FS-IGBT的一种, 都是电场中止技术与透明集电区技术的结合, 从功耗折衷表曲线来看, 属于同一代技术。但是SPT-IGBT具有以下结构特点: (1) n-耐压层相对许多FS-IGBT来说略宽一些, 属于图2b所示的轻穿通型; (2) n型电场中止层, 即缓冲层是从硅片背面热扩散形成的, 其平均掺杂浓度较低, 并且是从n-/n界面开始浓度逐渐变高。SPT+是为了进一步减小UCE sat而在SPT结构上再加上图6所示的EP-IGBT近表面层新技术, 使125℃时的UCEsat比SPT又减小25%, 而其他特点保持不变。

注入增强栅晶体管 (Injection Enhanced Gate Transistor, 简称IEGT) 是IGBT的一种, 其最大技术特征是采用了加宽pnp管间距的近表面层注入载流子浓度增强技术, 见图5。IEGT也有许多结合其他先进技术的不同结构。最先进的IEGT是表面层注入载流子增强技术与Trench技术、FS技术、透明集电区技术和局部载流子寿命控制技术的集大成产品, 其目标是在高压大电流领域取代GTO, 并在开关速度上超过GTO。

高电导率IGBT (High-Conductivity IGBT, 简称Hi GT) 有很多不同结构。它在非透明集电区PT-IGBT的基础上, 采用图5的空穴阻挡层技术使UCE sat显著降低, 总功耗也随之显著降低。Hi GT也有平面栅和沟槽栅两种, 后者性能更好, 但加工过程也更复杂。与IGBT相比Hi GT的最大特点是, 由于靠近空穴阻挡层处空穴浓度显著升高, 使UCE sat显著减小, 但其最大集电极自限定电流并不增大, 非常有利于短路安全工作。此外, 虽然仍采用寿命控制技术, 但UCE sat具有正温度系数, 利于并联使用和热稳定。应用空穴阻挡层技术的沟槽栅IGBT又称为CSTBT。

IGBT自诞生以来的二十余年获得了迅速发展。下层结构透明集电区技术的应用降低了制造成本, 改善了温度性能和开关性能;中层结构电场中止技术的采用降低了通态损耗和开关损耗;上层结构沟槽栅技术和载流子增强技术的采用大幅度降低了饱和电压, 提高了额定电流;终端处理技术的进步使平面技术已能制造6.5k V额定电压的器件。但是在电压、电流范围方面还不能完全取代GTO, 在工作频率上还未能从几十千赫兹推进到几百千赫兹。