絕緣柵雙極油管igb的發(fā)展與應用

絕緣柵雙極油管igb的發(fā)展與應用

0igbt電力電子能源消耗與日俱增，尤其是能源需求的矛盾日益尖銳。大力發(fā)展新型能源設備已成為一個重要課題。igt是目前和將來小型、中型和大型能源電子裝置的首選。特別是igdt模塊及其計算機電路（ipm）與先進的asic和現場編程門矩陣（f）等智能控制相結合，以顯著減少未來能源電子裝置的體積。IGBT是目前發(fā)展最快的一種混合型電力電子器件,它具有MOS輸入、雙極輸出功能的MOS、雙極相結合的特性,既有MOSFET的輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關速度高、開關損耗小的優(yōu)點,又具有雙極功率晶體管的電流密度大、飽和壓降低、電流處理能力強的優(yōu)點,在高壓、大電流、高速三方面是其他功率器件不能比擬的,因而是電力電子領域理想的開關器件。其不足之處是高壓IGBT內阻大、導通損耗大,并且過壓、過熱、抗沖擊、抗干擾等承受力較弱,往往需要附加保護電路。IGBT主要應用于低噪音電源、逆變器、不間斷電源UPS以及電動機變頻調速等領域。除民用外,在航空、航天等軍事領域也得到了廣泛的應用。1igbt的等效電路IGBT的基本結構分為平面結構(圖1)和溝槽結構(圖2)兩種。圖3是IGBT的等效電路。由圖3可知,如在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅動正電壓,則MOSFET導通;如IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V,則MOSFET截止,也使得pnp晶體管截止。2igbt的發(fā)展從功率半導體器件的發(fā)展歷史來看,大致經歷了四個發(fā)展階段。第一階段是以20世紀50年代出現的可控硅(SCR)為代表,其優(yōu)點是功率容量大,但缺點是開關速度低、關斷不可控,限制了它的應用。第二階段是20世紀70年代出現了以門極可關斷晶閘管(GTO)和巨型雙極晶體管(GTR)為代表的產品,它們都是自關斷器件,開關速度有了一定提高,控制電路也得到了簡化,但GTO的開關速度還是較低,GTR還存在二次擊穿等問題,而且它們都存在驅動電流大、功耗損失大的問題。第三階段是20世紀70年代末出現了以功率場效應晶體管VDMOS和靜電感應晶體管SIT為代表的產品,雖然開關速度快、輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單,但導通電阻大仍然限制了它們的電流容量和導通容量,特別是500V以上時,VDMOS的導通電阻大是不容忽視的問題。由此,至20世紀80年代即誕生了以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為代表的功率半導體器件。IGBT是RCA公司和GE公司1982年提出的,于1986年開始正式生產并逐漸系列化,其制造工藝和器件的參數不斷改進和提高。至今,IGBT已由第一代發(fā)展到了第6代(見表1)。表中,UCE(sat)為通態(tài)飽和壓降,tr為關斷時間。20世紀80年代初IGBT剛問世時,由于設計者非常巧妙地將VDMOS的n+襯底換成了p+襯底,引入pn結注入機制,使高阻n-漂移區(qū)產生電導調制效應,從而大大降低了導通電阻。在VDMOS的基礎上,進行這一小小變動就形成了MOS和雙極相結合的IGBT,具備了MOS和雙極的雙重優(yōu)點。但是,由于器件結構內部存在pnpn晶閘管結構,使器件產生“閉鎖”效應,導致柵失控。同時,由于n-漂移區(qū)存在非平衡載流子的注入,器件的開關速度受到影響,故早期的IGBT還不能使用。直到1986年,IGBT在解決了結構和工藝技術上的一些問題(如加入n+緩沖層、元胞設計等)后才真正得到了應用。隨著IGBT技術的不斷發(fā)展,其結構設計和工藝技術也發(fā)生了較大的變化,得到了不斷改進和創(chuàng)新。在超大規(guī)模集成電路和功率器件技術的基礎上,出現了分層輻照、薄片加工等特殊的加工技術,產品的技術性能也得到了很大提高。先后相繼開發(fā)出平面穿通型IGBT(PT-IGBT)、槽柵IGBT(TG-IGBT)、非穿通型IGBT(NPT-IGBT)、集電極短路IGBT(CS-IGBT)、透明集電極IGBT(TC-IGBT)、Si片直接鍵合IGBT(SDB-IGBT)、超快速IGBT、與快速恢復二極管結合的IGBT(IGBT-FRD)、三維集成霹靂型IGBT、逆阻型IGBT(RB-IGBT)、逆導型IGBT(RC-IGBT)、高電壓低壓降型IGBT、高頻型IGBT、雙向型IGBT、IGBT復合功率模塊PIM、IGBT智能功率模塊IPM等,其中向高壓大電流發(fā)展的PIM、IPM正成為IGBT的發(fā)展熱點,如PIM產品已達到1200～1800A/1800～3300V的水平。IPM除用于變頻調速外,600A/2000V的IPM已用于電力機車VVVF逆變器。美國海軍開發(fā)出以IGBT模塊為有源器件的電力電子積木FEBB,用于艦艇上的導彈發(fā)射裝置。日本富士公司和三菱公司已經制成了將控制器、驅動電路、功率變換器集成為一體的微型變頻器。美國一家公司推出的變頻調速電機也將變頻器裝入電機中,成為真正的智能電機。國內IGBT的研究開發(fā)工作遲于國外十多年,雖然也曾研制出1000V/20ASDB-IGBT、1200V/20ASDB/IGBT、1050V/20APT-IGBT等樣品,但至今尚未有IGBT產品投放市場。3igdt技術的最新技術3.1內透明集電極穿通型IGBT(PT-IGBT)在制造過程中必須用高能離子輻照減小Si中過剩載流子壽命來提高開關速度,但這種方法造成了PT-IGBT在導通狀態(tài)下如果保持集電極電流不變則集電極-發(fā)射極之間的電壓VCEsat隨溫度升高而下降,就是常說的具有通態(tài)電壓負溫度系數,不利于PT-IGBT的并聯(lián)使用,因為并聯(lián)時如果其中一只IGBT所分流的電流偏大一些,熱電正反饋效應就會使電流越來越集中于這一只IGBT,使其溫度越來越高以致燒毀。1988年,SiemensAG發(fā)明了透明集電區(qū)非穿通型IGBT(NPT-IGBT),采用了透明集電極技術,使NPT-IGBT具有與PT-IGBT相反的電壓溫度系數,即具有正溫度系數,以利于IGBT的并聯(lián)使用。所謂“透明集電極”技術,是指集電極是由摻雜濃度較低而且厚度不到1μm的極薄的集電區(qū)直接連接到歐姆接觸構成的。這樣,在IGBT關斷時存儲在IGBT基區(qū)中大量過剩電子能夠以擴散流方式穿透極薄的集電區(qū)流出到歐姆接觸處消失掉,使IGBT迅速關斷(或開通),不需要用高能粒子輻照來提高開關速度。所以,自從NPT-IGBT出現后幾乎新出現的各種IGBT基本都采用透明集電極技術。但是,這種結構對大量應用的耐壓在1000V以下的IGBT來說,由于所需的Si片太薄(如耐壓600V時Si片厚度100μm以下),在制造過程中極易發(fā)生翹曲、碎片,難以加工。而“內透明集電極”IGBT(圖4)的結構與現有的PT-IGBT基本相同。不同之處是,新結構IGBT是在現有PT-IGBT結構中的p+層Si襯底層與n型Si緩沖層之間加入了“內透明集電極”?！皟韧该骷姌O由一層摻雜濃度低于p+型Si襯底層的p型“內透明集電區(qū)層”和1～3層所謂“局域載流子壽命控制層”組成。p型“內透明集電區(qū)層”的厚度為0.1～10μm,摻雜濃度為5×1016～5×1018cm-3;“局域載流子壽命控制層”的厚度為50nm～1μm,層中過剩載流子壽命為1～50ns。采用這種結構的NPT-IGBT,襯底仍然采用與PT-IGBT基本相同厚度的Si片,大大有利于加工,為制造1200V以下的NPT-IGBT提供了一種很好的方法。目前,這一新型結構的IGBT技術已由北京工業(yè)大學申請了專利。圖4中,1為集電極金屬化層;2為p+型Si襯底層;3為n型Si緩沖層;4為n-型Si基區(qū)層;5為p型Si體區(qū);6為n型Si發(fā)射區(qū);7為SiO2柵氧化層;8為多晶Si柵電極;9為發(fā)射極金屬化層;10為內透明集電區(qū)層;11為局域載流子壽命控制層;12為Si片第一表面;13為襯底與內透明集電區(qū)交界面;14為內透明集電區(qū)與緩沖層交界面;15為Si片第二表面。3.2緩沖層摻雜p現有帶緩沖區(qū)的IGBT,包括半導體襯底、集電極、發(fā)射極、柵極絕緣層和柵極。半導體襯底包括p型集電區(qū)、n+型緩沖區(qū)、n型基區(qū)、p型基區(qū)和n型發(fā)射區(qū)。這里,n+型緩沖區(qū)雖然可以抑制“閉鎖”效應的發(fā)生,提高器件的可靠性,但由于緩沖區(qū)通常是通過摻P來形成的,在高溫下P十分容易擴散,所以緩沖層摻雜濃度較低并且較厚,影響到其中空穴復合消失所需的時間,造成尾電流較大,開關速度較慢。日本三墾電氣株式會社鳥居克行等人提出了一種新的制造專利技術,即在IGBT的緩沖層中摻砷,用外延方法生長,摻雜濃度5×1017cm-3,厚度為2～10μm。As比P的擴散系數小得多,而As的固溶度大于P的固溶度,且緩沖層是采用外延的方法生長的,因此可以使緩沖層較薄而且摻雜濃度較高,這樣可以有效減少其中載流子復合的時間,提高開關速度。摻As緩沖層IGBT的結構如圖5所示。3.3采用sic-igbt的導通方案盡管SiC材料的低場載流子遷移率不高,但是它的擊穿電場特別強,是Si的5～10倍,禁帶寬度是Si的3倍,電子飽和漂移速度是Si的2倍,熱導率是Si的3倍。SiC器件能滿足500℃以上溫度工作的需要,特別適于制作高頻、高速、高壓、高功率器件。IGBT的新發(fā)展方向之一是SiC-IGBT。日本松下電器產生株式會社北真等人提出了一種新結構的SiCIGBT(圖6)。這種IGBT包括p+-SiC襯底(1),外延n-SiC層(2)(漂移區(qū)),柵極絕緣膜(5),柵電極(6a),將柵電極(6a)包圍起來的發(fā)射極(6b),集電極(6c),p-SiC層(3),以及從發(fā)射極(6b)端部下方到柵電極(6a)端部下方的n+-SiC層(4)。外延層的表面部分中除形成有n+-SiC層(4)外,還疊層形成了含高濃度N的n型摻雜層和非摻雜層的混合層(9)。在外延的n-SiC層(2)中,設了含高濃度(1×1018cm-3)N、厚度約100nm的兩個高濃度摻雜層(7a)和(7b),(7a)和(7b)間的間隔約500nm。這種結構的SiC-IGBT,當其導通時,不僅有電子流,還有空穴流,降低了導通電阻,提高了截止時的耐壓,但在切換速度和導通損耗方面略有損失。據稱,這種結構適于制作幾千伏高耐壓IGBT。3.4igbt薄膜化方法在NPT-IGBT結構中,降低導通電阻是要達到的目標,而對電阻成分貢獻最大的是IGBT的襯底基板。因此,為了有效地降低基板電阻,往往采取研磨基板集電極區(qū)域的方法來達到使基板薄膜化的目的。當然,在NPT-IGBT中,除了導通電阻的最佳化,也要考慮耐壓。例如,相對于600V耐壓,其漂移區(qū)域約90μm;相對于1200V耐壓,其漂移區(qū)域約130μm。隨著基板的薄膜化,其機械強度大大減弱,在加工過程中的熱處理時,還很容易發(fā)生翹曲變形,晶圓尺寸愈大,翹曲變形愈嚴重。日本柳田正道等人提出了一種使IGBT基板薄膜化的新結構,其主要的發(fā)明之處是在基板的集電極區(qū)域一側用半導體工藝蝕刻形成一個喇叭狀的開口部,IGBT基板的實際厚度對應于開口部的深度而變薄,集電極區(qū)域不是沿著開口部形成在整個基板面上,而僅僅形成在開口部的底部,因為背面集電極僅與開口部的底部電連接。這樣,集電極區(qū)域部分的襯底基板薄膜化了,但整個襯底基板的厚度并沒有減薄。圖7是此結構的IGBT的示意圖。圖中:1為襯底基板;2為漂移區(qū)域;3為基極區(qū)域;4為發(fā)射極區(qū)域;5為柵極氧化膜;6為柵極;7為絕緣膜;8為發(fā)射極;9為開口部;10為集電極區(qū)域;11為集電極。4關于sic-igbtIGBT技術歷經二十多年的發(fā)展,在結構設計