第一代到第六IGBT設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展概況

1、文檔從網(wǎng)絡(luò)中收集，已重新整理排版.word版本可編輯歡迎下載支持.第一代到第六代IGBT設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展概況愿木文能順利地為未接觸過半導(dǎo)體工藝技術(shù)的IGBT使用者提 供參考（一）引言：據(jù)報(bào)道，IGBT功率半導(dǎo)體器件自上世紀(jì)八十年代中 期問世后，受到應(yīng)用者的熱烈歡迎，大量使用在電力電子裝置上， 使裝置進(jìn)入了一個(gè)突飛猛進(jìn)階段。IGBT也越來(lái)越深入人心。初期的IGBT存在了很多不足的地方，使應(yīng)用受到了極大的限 制。其后人們針對(duì)其存在的不足，作了不斷改進(jìn)。行內(nèi)習(xí)慣按改進(jìn) 次序排列，現(xiàn)今IGBT已進(jìn)入到第六代?？梢赃@么說每一次改進(jìn)都 有一個(gè)飛躍。（二）了解一下半導(dǎo)體雖然IGBT的應(yīng)用者需要了解的只是

2、IGBT規(guī)格、型號(hào)、性 能、參數(shù)和應(yīng)用須知就夠了，但不妨了解一下半導(dǎo)體器件最基本的 知識(shí)對(duì)閱讀本文是有幫助的。IGBT是一種功率半導(dǎo)體器件。器件的制作就是在薄薄的一層均 勻的半導(dǎo)體硅晶片中按設(shè)計(jì)方案用特定的工藝手段做成不同功能的 若干小區(qū)域（可能大家己有了解的所謂PN結(jié)、高阻層、高濃度朵質(zhì) 低阻區(qū)、絕緣層、原胞、發(fā)射極、集電極、柵極等），而且按要求連接成回路。各個(gè)小的功能區(qū)的厚薄、大小、位置、雜質(zhì)性質(zhì)、雜質(zhì) 濃度其至雜質(zhì)濃度分布如濃度梯度都會(huì)給器件性能帶來(lái)極大的影 響。所有半導(dǎo)體器件（含微電子、集成電路等）設(shè)計(jì)和制作就是在硅 晶片中做這樣的結(jié)構(gòu)文章。如何去制作不同結(jié)構(gòu)的小區(qū)域（即晶片內(nèi) 結(jié)構(gòu)）

3、，則需用各種半導(dǎo)體制作工藝（如擴(kuò)散工藝、外延工藝、離子 注入工藝、輻照工藝、光刻工藝、溝槽工藝等）及相關(guān)的專用設(shè)備和 工藝條件（如不同級(jí)別的原料、輔料及潔凈廠房等）。舉例說來(lái)，同 是功率半導(dǎo)體器件的可控硅和IGBT芯片結(jié)構(gòu)就大不一樣?？煽毓?電流再大、電壓再高，只有一個(gè)單獨(dú)的芯片。IGBT則是利用MOS 集成電路工藝，在一個(gè)大硅晶片上制成若干個(gè)可分割的芯片，每個(gè) 芯片中又有不少的同樣結(jié)構(gòu)的原胞并聯(lián)組成（見下圖），然后在封裝 時(shí)根據(jù)需要把芯片組成回路或把芯片并聯(lián)制成大電流的單管、橋臂 等模塊。此例只是兩者芯片內(nèi)結(jié)構(gòu)差異中的一個(gè)小例而己，其它差 異多得是，不勝枚舉。IGBT芯片中 原胞分布照片（柵

4、極側(cè)）IGBT芯片中 御極側(cè)表面立體示倉(cāng)圖IGBT芯片剖面圖中的兩個(gè)原胞示琶囹7word版本可編輯歡迎下載支持.（三）1GBT的發(fā)展過程IGBT中文名為“絕緣柵雙極型晶體管”，是一種MOS功率器件 (MOSFET)和大功率雙極型晶體管(GTR)混合型電力電子器件。它的 控制信號(hào)輸入是MOS型的，與器件的晶片絕緣(常稱絕緣柵)，利用 感應(yīng)原理輸入信號(hào)。20世紀(jì)七十年代岀現(xiàn)的MOSFET就是這樣一 種輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、開關(guān)速度高的MoS 器件。它的缺點(diǎn)是導(dǎo)通電阻大、電流通過能力受到限制，還有器件 承受工作電壓能力也極其有限。當(dāng)人們把MOSFET絕緣柵技術(shù)結(jié)合 到大功率雙極型晶體

5、管(GTR)上就出現(xiàn)了而目全新的IGBT,當(dāng)時(shí)從 原理上論證它應(yīng)該具有電流密度大、飽和壓降低、電流處理能力 強(qiáng)、開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)。但實(shí)際并非如此，甚至第一代IGBT在改 進(jìn)前實(shí)用意義不大。于是從上世紀(jì)八十年代中到本世紀(jì)初這二十年 中，IGBT在上述兩者結(jié)合的基礎(chǔ)上走過了六次大改進(jìn)的路程，常稱 六代(德國(guó)稱四代)。這個(gè)過程是很艱苦的，而對(duì)的是大量的結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)調(diào)整和工藝上的難題。下表概括了六次改進(jìn)所采取的技術(shù)措施和 改進(jìn)后的效果。六代IGBT的變遷與特性改進(jìn)表以技術(shù)特點(diǎn)命名卩芯片面積QC相對(duì)值工藝卩 線寬d （微米八通態(tài)飽和壓降d（伏2關(guān)斷卩 時(shí)間d （微秒）+功率損耗卩（相對(duì)值2斷態(tài)卩電壓2 （

6、伏）匸出現(xiàn)Q時(shí)間"（年）2平面穿適型（PT ”I(X3.W0.52IOO60QP19SS2申改進(jìn)的平面穿通型（PT）56P了卩2"0.3W74,600P199(溝槽型（trend） Q42笄230.2如5212001992÷*非穿通型（NPT）Q3221.N0.25P3舛3300199M電場(chǎng)截止型CFS2MO升1.3卩0.19fj33卩4500120022溝僧型電場(chǎng)-黃止型C FS-TreIldI） 9W031.20.15Q2365(XP2003Q（四）1GBT技術(shù)改進(jìn)的追求目標(biāo)及效果分析1, 減小通態(tài)壓降。達(dá)到增加電流密度、降低通態(tài)功率損耗的 目的。2, 降低開

7、關(guān)時(shí)間，特別是關(guān)斷時(shí)間。達(dá)到提高應(yīng)用時(shí)使用頻 率、降低開關(guān)損耗的目的。3, 組成IGBT的大量“原胞”在工作時(shí)是并聯(lián)運(yùn)行，要求每個(gè) 原胞在工作溫度允許范圍內(nèi)溫度變化時(shí)保持壓降一致，達(dá)到均流目的。否則會(huì)造成IGBT 器件因個(gè)別原胞過流損壞而損壞。4, 提高斷態(tài)耐壓水平，以滿足應(yīng)用需要。上表列出數(shù)據(jù)表明：1, 在同樣工作電流下芯片而積、通態(tài)飽和壓降、功率損耗逐 代下降。關(guān)斷時(shí)間也是逐代下降。而且下降幅度很大。達(dá)到了增加 電流密度、降低功率損耗的目的。2, 表上列出的“斷態(tài)電壓叫卩是Vceo,發(fā)射極和集電極之間耐 壓。這是應(yīng)用需要提出的越來(lái)越高的要求，（五）采取了哪些技術(shù)改進(jìn)措施在硅晶片上做文章，有

8、很多新技術(shù)、新工藝。IGBT技術(shù)改進(jìn)措 施主要有下而幾個(gè)方面：1, 為了提高工作頻率降低關(guān)斷時(shí)間，第一代、第二代早期產(chǎn) 品曾采用過“輻照"手段，但卻有增加通態(tài)壓降（會(huì)增加通態(tài)功耗）的反 作用危險(xiǎn)。2, 第一代與第二代由于體內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)木身原因造成“負(fù)溫度系 數(shù)"，造成各IGBT原胞通態(tài)壓降不一致，不利于并聯(lián)運(yùn)行，因此當(dāng) 時(shí)的IGBT電流做不大。此問題在第四代產(chǎn)品中采用了“透明集電區(qū) 技術(shù)S產(chǎn)生正溫度系數(shù)效果后基木解決了，保證了（四）3中目標(biāo)的 實(shí)現(xiàn)。3, 第二代產(chǎn)品采用“電場(chǎng)中止技術(shù)”，增加一個(gè)“緩沖層”，這 樣可以用較薄的晶片實(shí)現(xiàn)相同的耐壓（擊穿電壓）。因?yàn)榫奖。?飽和

9、壓降越小，導(dǎo)通功耗越低。此技術(shù)往往在耐壓較高的IGBT上 運(yùn)用效果明顯。耐壓較低的如幾百伏的IGBT產(chǎn)品，晶片本來(lái)就 薄，再減薄到如100到150微米的話，加工過程極容易損壞晶片。4, 第三代產(chǎn)品是把前兩代平面絕緣柵設(shè)計(jì)改為溝槽柵結(jié)構(gòu)， 即在晶片表而柵極位置垂直刻槽深入晶片制成絕緣柵。柵極面積加 大但占用晶片位置減小，增加了柵極密度。工作時(shí)增強(qiáng)了電流導(dǎo)通 能力，降低了導(dǎo)通壓降。5, 第四代非穿通型IGBT（NPT）Jfe品不再采用“外延嚀支術(shù)，代 之以“硼離子注入''方法生成集電極，這就是（五）2中提到的“透明集 電區(qū)技術(shù)”。除已提到的產(chǎn)生正溫度系數(shù)、便于并聯(lián)運(yùn)行的功能外， 主

10、要還有：5.1不必用輻照技術(shù)去減少關(guān)斷時(shí)間，因?yàn)椤巴该骷妳^(qū)技術(shù)"也 有此功能。因此不存在輻照使通態(tài)壓降增加而增加通態(tài)損耗的可 能。即（五）1中提到的“危險(xiǎn)”。5.2不采用“外延H藝和“輻照”工藝，可以減低制造成本。6, 表中所列的第五、第六代產(chǎn)品是在IGBT經(jīng)歷了上述四次技 術(shù)改進(jìn)實(shí)踐后對(duì)各種技術(shù)措施的重新組合。第五代IGBT是第四代 產(chǎn)品“透明集電區(qū)技術(shù)''與“電場(chǎng)中止技術(shù)'的組合。第六代產(chǎn)品是在 第五代基礎(chǔ)上改進(jìn)了溝槽柵結(jié)構(gòu)，并以新的而貌出現(xiàn)。請(qǐng)注意表中第五季第六代產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)改進(jìn)十分明顯，尤其 是承受工作電壓水平從第四代的33OOV提高到6500V,

11、這是一個(gè)極 大的飛躍。上述幾項(xiàng)改進(jìn)技術(shù)己經(jīng)在各國(guó)產(chǎn)品中普遍采用，只是側(cè)重面有 所不同。除此以外，有報(bào)道介紹了一些其它技術(shù)措施如：內(nèi)透明集 電極、碑摻雜緩沖層、基板薄膜化、軟穿通技術(shù)等。7, 世界各IGBT制造公司的技術(shù)動(dòng)態(tài)7.1低功率IGBT摩托羅拉、ST半導(dǎo)體、三菱等公司推出低功率IGBT產(chǎn)品，應(yīng) 用范圍一般都在600V、IKA、IKHZ以上區(qū)域。7.2 NPT-IGBT在設(shè)計(jì)6001200V的IGBT時(shí)，NPT-IGBT可靠性最高，正 成為IGBT發(fā)展方向。西門子公司可提供600V、1200V. 1700V系 列產(chǎn)品和6500V高壓IGBT,并推出低飽和壓降DLC型NPT IGBT,依克賽

12、斯、哈里斯、英特西爾、東芝等公司也相繼研制出 NPT-IGBT及其模塊系列，富士電機(jī)、摩托羅拉等在研制之中。7.3 SDB-IGBT文檔從網(wǎng)絡(luò)中收集，已重新整理排版.word版本可編輯歡迎下載支持.三星、快捷等公司采用SDB(硅片直接鍵合)技術(shù)，在IC生產(chǎn)線 上制作第四代高速IGBT及模塊系列產(chǎn)品，特點(diǎn)為高速，低飽和壓 降，低拖尾電流，正溫度系數(shù)易于并聯(lián)，在600V和120OV電壓范 圍性能優(yōu)良，分為UF、RUF兩大系統(tǒng)。7.4超快速IGBT國(guó)際整流器IR公司研制的超快速IGBT可最大限度地減少拖尾 效應(yīng)，關(guān)斷時(shí)間不超過2000ns,采用特殊高能照射分層技術(shù)，關(guān)斷 時(shí)間可在IoonS以下，拖尾更短，重點(diǎn)產(chǎn)品有6種型號(hào)。7.5 IGBT功率模塊IGBT功率模塊從復(fù)合功率模塊PIM發(fā)展到智能功率模塊IPM電力電子積木PEBB.電力模塊IPEMO PlM向高壓大電流發(fā) 展，其產(chǎn)品水平為 12001800A/180033OOV, IPM 600A2000Vo 大電流IGBT模塊，有源器件PEBB采用平面低電感封裝技術(shù)。IPEM采用共燒瓷片多芯片模塊技術(shù)，組裝的PEBB大大降低電路接 線電感，提高系統(tǒng)效率。智能化、模塊化成為IGBT發(fā)展熱點(diǎn)。編者簡(jiǎn)介：朱英文：(19