IGBT基本结构与工作原理详解

概述了自IGBT发明以来其主要结构和相应性能的改进, 包括芯片集电结附近 (下层) 结构的改进 (透明集电区) , 耐压层附近 (中层) 结构的改进 (NPT, FS/SPT等) 和近表层 (上层) 结构的改进 (沟槽栅结构, 注入增强结构等) , 以及由它们组合成的NPT-IGBT, Trench IGBT, Trenchstop-IGBT, SPT, SPT+, IEGT, HiGT, CSTBT等。

1 引言

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。

2 IGBT基本结构与主要发展方向

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。

图1 平面型PT-IGBT基本结构与工作原理示意图

2.2 IGBT的发展方向

3 改进IGBT性能的技术新概念

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。

图2 各种IGBT中工作电压和击穿电压下电场分布比较

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。

图3 沟槽栅IGBT结构

图4 IEGT的上层结构及响应的载流子浓度分布

图5 空穴阻挡层技术结构示意图

图6 EP-IGBT技术

4 实际IGBT举例

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。

图7 1.2k V NPT-IGBT与PT-IFBT结构及性能比较

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。

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。

IGBT基本结构与工作原理详解

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