第一代到第六代IGBT設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展概況

1、第一代到第六代IGBT設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展概況愿本文能順利地為未接觸過(guò)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(wèn)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(shuō)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

2、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（可能大家已有了解的所謂PN結(jié)、高阻層、高濃度雜質(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)濃度甚至雜質(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)），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、溝梢工藝等）

3、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(shuō)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。可控硅電流再大、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(jiàn)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)小例而已，其它差異多得是，不勝枚舉。IGBT芯片中原胞分布照片IGBT芯片申皆旗闌表面身體示芭圖IGBT芯片引面吧中的兩個(gè)也荊示芭困（三）IGBT的發(fā)展過(guò)程IGBT中文名為絕緣柵雙極

4、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)七十年代出現(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(kāi)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(guò)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管（GTR）上就出現(xiàn)了面目全新的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(kāi)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

5、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(guò)了六次大改進(jìn)的路程，常稱六代（德國(guó)稱四代）這個(gè)過(guò)程是很艱苦的，面對(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)表跚以技求特卓命名戶芯片相對(duì)值戲?qū)?，?微米八通亳飽和反鵬【伏】*關(guān)斷一時(shí)間十（微利），功率損耗產(chǎn)i相對(duì)值）u斷態(tài)十電壓+,（伏）十出現(xiàn)中時(shí)間+,（年）*平面穿通型CPTJ中1叱3g0加10060019SS2卡改迸的平面穿逋型fPT）?5價(jià)a之Sr0.30P74甲50QP199(h-溝槽型(trench)W州。小12(XM199”韭穿

6、通型CNPT）31P修l.V33(X21997*電場(chǎng)截止組CFS）20W1.3+3?；亟?5WP20Q1W,6*1溝懵型電場(chǎng)-毒止型CFS-Tisndi）*260.“tO*3苗妍2g2（四）IGBT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(kāi)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(kāi)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(guò)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

7、電流下芯片面積、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”即是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，有很多新技術(shù)、新工藝。IGBT技術(shù)改進(jìn)措施主要有下面幾個(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(guò)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)本身原因造成負(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

8、問(wèn)題在第四代產(chǎn)品中采用了透明集電區(qū)技術(shù)”，產(chǎn)生正溫度系數(shù)效果后基本解決了，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?，飽和壓降越小，?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(guò)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)改為溝梢柵結(jié)構(gòu)，即在晶片表面柵極位置垂直刻梢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

9、穿通型IGBT（NPT）產(chǎn)品不再采用外延”技術(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，主要還有：5.1不必用輻照技術(shù)去減少關(guān)斷時(shí)間，因?yàn)橥该骷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”工藝和輻照”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)了溝梢柵結(jié)構(gòu)，并以新的面貌出現(xiàn)

10、。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3300V提高到6500V,這是一個(gè)極大的飛躍。上述幾項(xiàng)改進(jìn)技術(shù)已經(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、1KA、1KHz以上區(qū)域。7.2 NPT-IGBT在設(shè)計(jì)6001200V的IGBT時(shí)，NPTIGBT可靠性最高，正成為IGBT發(fā)展方向。西門子公司可提供600V、1200

11、V、1700V系列產(chǎn)品和6500V高壓IGBT,并推出低飽和壓降DLC型NPTIGBT,依克賽斯、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1200V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(guò)2000ns,采用特殊高能照射分層技術(shù)，關(guān)斷時(shí)間可在100ns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IPEM。PIM向高壓大電流發(fā)展，具產(chǎn)品水平為12001800A/18003300V,IPM600A/2000V。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