絕緣柵雙極型調(diào)制器igb在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用

絕緣柵雙極型調(diào)制器igb在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用

0igbt功率開關(guān)作為一種新型的功率半導(dǎo)器，密封雙極性peniew[1.5]不僅具有高輸出性能和低干擾噪聲的優(yōu)點，而且具有控制功率小、拆卸方便的特點。開關(guān)頻率高的優(yōu)點，而兩極性氧化物的導(dǎo)通性強、導(dǎo)通性差的優(yōu)點。在倡導(dǎo)節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟的時代，它具有節(jié)能效率高、便于大規(guī)模生產(chǎn)、智能意識等優(yōu)點。因此，它是中高功能電子行業(yè)最常用的能源開關(guān)裝置[1.5]。由于IGBT器件的優(yōu)越特性,目前IGBT已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、汽車電子、家電產(chǎn)品、照明、消費電子及網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域,而智能電網(wǎng)、高速鐵路、新能源汽車的發(fā)展為IGBT開辟了更加廣泛的應(yīng)用市場。使用IGBT可改造包括電力、交通、機械、化工、冶金等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),實現(xiàn)節(jié)能減排、信息化和智能化。目前,單個IGBT器件(模塊)電壓應(yīng)用覆蓋從370V~6500V的范圍,應(yīng)用頻率可達(dá)150~200kHz。1關(guān)于igbt的器件技術(shù)從20世紀(jì)60年代后期起,人們一直在尋求一種高速、高效的固態(tài)開關(guān)器件;70年代后期,當(dāng)時在美國GE公司的B.J.Baliga開始致力于一種集成雙極載流子物理特性的新型MOS器件研究,并于1979年發(fā)表了他的研究成果,向世界首次展示了IGBT的工作原理(由于在IGBT開發(fā)和商用化方面的卓越貢獻(xiàn),Baliga教授被美國總統(tǒng)授予2011年國家技術(shù)與創(chuàng)新獎)。幾乎同時,兩名美國RCA的工程師,HansW.Becke和CarlF.Wheatley于1980年遞交了一份被后來業(yè)界視為IGBT種子專利(seminalpatent)的美國專利,該專利首次指出IGBT工作時沒有晶閘管效應(yīng)。最早開發(fā)的IGBT是在VDMOS結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,巧妙地將VDMOS的n+襯底換成p+襯底,從而在器件背面引入pn結(jié)而形成。正向?qū)〞r背面pn結(jié)引入的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使IGBT的導(dǎo)電機制由VDMOS的多數(shù)載流子(多子)導(dǎo)電變?yōu)殡p極載流子導(dǎo)電,從而克服了作為多子器件的VDMOS正向?qū)娮枧c擊穿電壓2.5次方的矛盾關(guān)系,在高的耐壓下可獲得低的正向?qū)▔航?。自IGBT發(fā)明以來,IGBT的器件技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域得到了巨大的發(fā)展,器件性能也得到了穩(wěn)步提升。國際知名半導(dǎo)體公司,如Infineon、ABB、Fairchild、IXYS、IR、Hitachi、三菱電子和富士電機等相繼投入到IGBT的研發(fā)和制造中。到目前,IGBT的器件技術(shù)已經(jīng)過數(shù)代的發(fā)展,盡管各個公司在產(chǎn)品代數(shù)的劃分上不完全一致,但基本發(fā)展的趨勢相同,業(yè)界一般將IGBT的演變按柵工程和襯底工程技術(shù)簡要歸納為六代,見表1。在這6代IGBT結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,又進(jìn)一步發(fā)展出了包括逆導(dǎo)型IGBT(RC-IGBT)、逆阻型IGBT(RB-IGBT)和超結(jié)型IGBT(SJ-IGBT)等器件新結(jié)構(gòu)。2bt的發(fā)展方向作為一種新型的功率半導(dǎo)體器件,IGBT從問世以來一直朝著低損耗、高頻率和高可靠性的方向發(fā)展。在過去的三十多年中,其器件和模塊技術(shù)的發(fā)展主要如下。2.1非穿通的igbt結(jié)構(gòu)IGBT襯底工程技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了從穿通(PT)結(jié)構(gòu)到非穿通(NPT)結(jié)構(gòu)再到場阻(FS/LPT/SPT)結(jié)構(gòu)的發(fā)展,襯底厚度得到了持續(xù)的減小,如圖1所示。PT型IGBT采用p+襯底上雙外延工藝制作,工藝成本高,特別是對于>1200V的高壓器件,需要超過100μm的外延層厚度。由于p+襯底濃度通常很高,即便有緩沖(buffer)層的情況下背面集電極的注入效率仍然比較高,器件的關(guān)斷時間較長。為了減小PT型IGBT的關(guān)斷時間,需要采用載流子壽命控制技術(shù),以控制漂移區(qū)內(nèi)少數(shù)載流子的壽命。同時器件的導(dǎo)通飽和壓降具有負(fù)的溫度系數(shù),器件并聯(lián)應(yīng)用時難以實現(xiàn)動態(tài)均流,因此不利于大電流下的并聯(lián)應(yīng)用。但PT型IGBT結(jié)構(gòu)不需要額外的背面注入工藝,工藝難度低,可以實現(xiàn)很薄的漂移區(qū),與MOS工藝兼容性較好。為了克服PT型IGBT結(jié)構(gòu)的缺點,G.Miller等人于1989年首先提出了非穿通(NPT)IGBT結(jié)構(gòu)的概念。通過采用高電阻率的區(qū)熔(FZ)單晶片替換昂貴的異型高阻厚外延片,使NPTIGBT器件特別是高壓IGBT器件的成本得到大幅度降低。同時在硅片背面通過注入和退火工藝形成發(fā)射效率較低的集電極,NPT結(jié)構(gòu)的IGBT幾乎在全電流范圍內(nèi)導(dǎo)通飽和壓降都呈現(xiàn)正溫度系數(shù),使大電流并聯(lián)應(yīng)用成為可能。對于NPT結(jié)構(gòu),為了承受高的阻斷電壓,需要較厚的漂移區(qū)以確保在高電壓下不會發(fā)生耗盡層穿通的現(xiàn)象。然而厚的漂移區(qū)會顯著增加器件的導(dǎo)通飽和壓降和關(guān)斷時間,不利于器件性能的提高。在NPT結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,21世紀(jì)初提出了FS(電場截止型)IGBT結(jié)構(gòu)[14~16]。FS型結(jié)構(gòu)具有與PT型結(jié)構(gòu)相似的緩沖層,但摻雜濃度較低。與NPT結(jié)構(gòu)相比,在相同的阻斷電壓下,FSIGBT結(jié)構(gòu)的硅片厚度可減小約1/3,并且保持了導(dǎo)通飽和壓降正溫度系數(shù)的優(yōu)點。同時由于較薄漂移區(qū)中的過剩載流子減少,FSIGBT還能夠減小自身的關(guān)斷時間,提高器件的關(guān)斷速度。近年來,隨著硅薄片加工工藝的發(fā)展,FSIGBT的襯底厚度持續(xù)減薄,600VIGBT的硅片厚度減薄到約為70μm,器件性能得到了顯著的提高。2011年,Infineon公司發(fā)表了基于8英寸超薄片加工技術(shù)的400VFSIGBT器件,其硅片厚度僅為40μm。為了進(jìn)一步提高器件的性能,超結(jié)(SJ)和半超結(jié)(Semi-SJ)技術(shù)也被引入到IGBT的設(shè)計中[18~20]。通過超結(jié)結(jié)構(gòu)p/n柱的電荷補償作用,在相同的耐壓下,SJ和Semi-SJIGBT具有比傳統(tǒng)FSIGBT更薄的漂移區(qū),更高的漂移區(qū)摻雜濃度,從而減小了器件的正向?qū)▔航挡p小了正向?qū)〞r存儲在漂移區(qū)的過剩載流子數(shù)目,提高了器件的關(guān)斷速度。同時,由于SJ結(jié)構(gòu)p/n柱反偏結(jié)耗盡區(qū)的橫向擴展,在關(guān)斷時SJ結(jié)構(gòu)耗盡區(qū)展寬速度更快,這進(jìn)一步提高了器件的關(guān)斷速度,減小了器件的關(guān)斷損耗。此外,SJIGBT還具有更為優(yōu)異的抗輻照特性,能工作在更為惡劣的環(huán)境。典型的SJIGBT結(jié)構(gòu),如圖2所示。3.2器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提出發(fā)射極載流子濃度增強為了解決平面柵IGBT結(jié)構(gòu)的JFET效應(yīng)并提高其抗閂鎖能力,H.R.Chang和B.J.Baliga于1989年將溝槽技術(shù)引入到IGBT工藝中并率先制備了溝槽柵IGBT。溝槽柵IGBT結(jié)構(gòu)消除了平面柵結(jié)構(gòu)的JFET區(qū)電阻,并可獲得更高的MOS溝道密度,從而可使器件的特性獲得顯著提高。然而,與平面柵結(jié)構(gòu)相比,溝槽柵結(jié)構(gòu)底部的高電場是影響其可靠性的主要因素之一,因而目前高壓IGBT仍主要采用平面柵結(jié)構(gòu)。為了減小溝槽柵結(jié)構(gòu)底部高電場對其可靠性的影響,國際上已提出多種改進(jìn)的溝槽柵結(jié)構(gòu)并對溝槽柵工藝進(jìn)行了優(yōu)化。對于傳統(tǒng)的IGBT結(jié)構(gòu),漂移區(qū)內(nèi)載流子的濃度分布從集電極到發(fā)射極下降很快,特別是在pbase層和漂移區(qū)的邊界載流子濃度下降為零。在發(fā)射極附近低的載流子濃度增大了漂移區(qū)的電阻,使器件的導(dǎo)通飽和壓降增大。通過精細(xì)化圖形工藝,減小溝槽柵之間的間距,雖然可以降低導(dǎo)通飽和壓降并可改善擊穿特性,但是MOS溝道密度的增加會增大器件的飽和電流,導(dǎo)致短路電流增大,影響器件的短路安全工作。為了進(jìn)一步改善導(dǎo)通飽和壓降和關(guān)斷損耗的折中,并提高器件的短路安全性能,業(yè)界提出了發(fā)射極載流子濃度增強技術(shù)。通過在器件正面引入dummy元胞或浮空p-base層的方式減小與發(fā)射極連接的p-base層的面積或在器件正面引入空穴阻擋層或載流子存儲層的方式增加空穴從p-base層抽取的勢壘,從而提高靠近IGBT發(fā)射極的載流子濃度,改善正向?qū)〞r器件漂移區(qū)的載流子濃度分布。具有發(fā)射極載流子濃度增強結(jié)構(gòu)的IGBT具有更好的導(dǎo)通飽和壓降和關(guān)斷損耗的折中,并具有良好的短路安全工作區(qū),典型器件結(jié)構(gòu)有:CSTBT(Mitsubishi)、IEGT(Toshiba)、Floatingp-base(Fuji)、HiGT(Hitachi)和EPIGBT(ABB)等,代表結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。HiGT和傳統(tǒng)IGBT的載流子濃度分布對比,如圖5所示。從圖5中可以看出通過采用發(fā)射極載流子濃度增強結(jié)構(gòu),在相同條件下HiGT發(fā)射極附近載流子的濃度相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到了顯著的提高,從而獲得了更好的載流子濃度分布。近年來,隨著工藝水平的不斷發(fā)展,發(fā)射極載流子濃度增強技術(shù)也在不斷的發(fā)展。2010年ManabuTakei等人通過在p-base層下方引入埋氧化層的方式提出了DB(DielectricBarrier)IGBT結(jié)構(gòu),如圖6所示。埋入器件p-base層下方的氧化層直接將大部分p-base層和N型漂移區(qū)隔離開來。在正向?qū)〞r,埋氧層直接阻止空穴流向p-base層,從而在埋氧層下形成空穴的積累達(dá)到載流子濃度增強的效果。2012-2013年MasakiyoSumitomo等人連續(xù)報道了通過優(yōu)化溝槽刻蝕工藝實現(xiàn)的PNM(PartiallyNarrowMesaStructure)IGBT結(jié)構(gòu),如圖7所示,并通過應(yīng)用雙柵控制技術(shù)對器件性能進(jìn)行了優(yōu)化,獲得了優(yōu)異的正向?qū)▔航岛完P(guān)斷損耗的折中。該結(jié)構(gòu)具有上細(xì)下粗的溝槽柵結(jié)構(gòu),從而在不需要進(jìn)一步減小溝槽柵間距的情況下實現(xiàn)了柵極下方空穴的積累,實現(xiàn)了載流子濃度增強的目的。2013年JunHu等人通過利用溝槽提供的電場屏蔽作用實現(xiàn)了高性能的平面柵發(fā)射極載流子增強結(jié)構(gòu),如圖8所示,并獲得了小的柵電容和大的短路安全工作區(qū)。同時,為了改善傳統(tǒng)CSTBT結(jié)構(gòu)載流子存儲層摻雜濃度與器件耐壓之間的矛盾關(guān)系,進(jìn)一步優(yōu)化正向?qū)〞r漂移區(qū)的載流子濃度分布,在傳統(tǒng)CSTBT結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上筆者進(jìn)一步提出了具有p型埋層結(jié)構(gòu)的CSTBT結(jié)構(gòu)。3.3在其他方面的應(yīng)用IGBT的關(guān)斷過程就是IGBT基區(qū)中存儲的大量過剩載流子的復(fù)合和抽取過程。如果能夠降低基區(qū)中存儲的過剩載流子數(shù)目并在器件關(guān)斷時提供載流子的抽取通道,則顯然能夠有效的減小器件的關(guān)斷時間,當(dāng)然這在一定程度上會減弱器件正向?qū)〞r的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),增加正向?qū)▔航?。降低器件集電極注入效率是減小基區(qū)中存儲的過剩載流子數(shù)目的有效手段。透明陽極技術(shù)正是這樣一種集電極(陽極)工程技術(shù)。在傳統(tǒng)IGBT結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過采用較低的集電極摻雜濃度和較薄的集電極厚度,透明陽極結(jié)構(gòu)可顯著改善器件的關(guān)斷特性,減小關(guān)斷損耗。由于透明陽極結(jié)構(gòu)的集電極摻雜濃度較低,在實際工藝中可能存在集電極的歐姆接觸問題,為了改善這一特性在傳統(tǒng)透明陽極結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步發(fā)展了雙緩沖層陽極、StripedAnode和SegmentedN+P/P+Anode(SA-NPN)等新結(jié)構(gòu)。另一類重要的集電極工程技術(shù)是陽極短路(AnodeShorted)結(jié)構(gòu)。與透明陽極結(jié)構(gòu)相比,陽極短路結(jié)構(gòu)直接將部分集電極摻雜由p型改為n型,使漂移區(qū)與集電極相連。n+區(qū)一方面可以在正向?qū)〞r有效降低集電極發(fā)射效率,另一方面在反向恢復(fù)時可以抽取器件漂移區(qū)中存儲的過剩載流子以加快器件的關(guān)斷過程,從而改善器件的性能。然而對于傳統(tǒng)的陽極短路結(jié)構(gòu),正向?qū)〞r的snapback現(xiàn)象是困擾其應(yīng)用的主要問題,為了改善snapback現(xiàn)象,通過在nbuffer或漂移區(qū)中引入與n+區(qū)串聯(lián)的JFET電阻,筆者所在小組提出了n-regioncontrolled陽極和雙陽極等器件新結(jié)構(gòu)。所提出的結(jié)構(gòu)較好地解決了傳統(tǒng)陽極短路結(jié)構(gòu)的snap-back現(xiàn)象,并可獲得好的器件關(guān)斷特性,以及正向?qū)▔航岛完P(guān)斷損耗的折中。在現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)中,IGBT通常需要與反并聯(lián)的快恢復(fù)二極管(FastRecoveryDiode)配合使用。因此將IGBT與FRD單片地集成在同一硅片上的逆導(dǎo)型IGBT(ReverseConductingIGBT)得到了廣泛的關(guān)注。逆導(dǎo)型IGBT在結(jié)構(gòu)上與陽極短路結(jié)構(gòu)基本相同,所不同的是逆導(dǎo)型IGBT需要工作在IGBT和FRD兩種模式下。與陽極短路結(jié)構(gòu)相似,傳統(tǒng)RCIGBT在正向?qū)〞r也存在snap-back的問題,在低溫時這一現(xiàn)象會更加明顯,甚至?xí)?dǎo)致器件無法正常開啟。為了抑制RC-IGBT的snap-back現(xiàn)象并獲得好的二極管特性,業(yè)界已提出了多種器件結(jié)構(gòu),如BIGT(Bi-modeInsulatedGateTransistor)、SJRCIGBT、浮空P區(qū)槽氧RC-IGBT、雙NPNRC-IGBT、浮空P-plugRC-IGBT和具有反平行肖克萊二極管的RC-IGBT等,典型結(jié)構(gòu)如圖9、10所示。近年來,隨著RC-IGBT的發(fā)展,新的效應(yīng)或工作機制被引入到RC-IGBT結(jié)構(gòu)中,如具有帶間遂穿效應(yīng)的RC-IGBT以及集電極具有二極管連接MOS結(jié)構(gòu)的RC-IGBT等,如圖11、12所示。具有帶間遂穿效應(yīng)的RC-IGB通過將帶間遂穿效應(yīng)引入RC-IGBT,不僅大大簡化了器件的背面工藝而且可以獲得軟的二極管反向恢復(fù)特性。集電極具有二極管連接MOS結(jié)構(gòu)的RC-IGBT巧妙的通過雙面光刻技術(shù)在背面引入具有二極管連接的MO結(jié)構(gòu),在不增加外接電極的情況下可以完全消除snap-back現(xiàn)象,并可獲得好的IGBT和FRD特性。3.4模型型的模塊封裝在高壓大電流的應(yīng)用場景,為了減小系統(tǒng)的體積并提高其可靠性,需要采用模塊封裝的形式。模塊封裝可將多個IGBT和反并聯(lián)二極管芯片及熱敏電阻等封裝在一個模塊中,組成單相半橋/全橋或三相全橋等多種電路形式,單個模塊可承載上千安培的大電流。典型的模塊封裝是Infineon公司的“Econo”系列封裝形式。目前,大部分公司生產(chǎn)的IGBT模塊采用的均是與英飛凌相同的封裝形式,僅有部分產(chǎn)品采用一些特殊的封裝結(jié)構(gòu)。在IGBT模塊串聯(lián)應(yīng)用的情形,為了提高IGBT模塊的可靠性,實現(xiàn)IGBT的超高壓應(yīng)用,ABB公司展示了采用壓接式(PressPack)的4500V/2000A封裝結(jié)構(gòu)形式,如圖13所示。該模塊技術(shù)可顯著地提高IGBT模塊串聯(lián)應(yīng)用的可靠性和魯棒性。為了進(jìn)一步提高模塊的封裝密度,減小封裝鋁線的寄生電感并消除大電流下封裝鋁線的可靠性問題,Semikon公司相繼開發(fā)了基于雙面柔性PCB的3DSKiN封裝技術(shù),并展示了600V/400A的逆變器,如圖14所示。該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于電動汽車、新能源和電機驅(qū)動等領(lǐng)域。3.5比導(dǎo)通電阻的特點除硅基IGBT外,SiC材料已被用于IGBT的研制。1999年美國Cree公司的R.Singh等人首次在N型SiC襯底上制備了SiCp-IGBT器件。2005年,Cree公司的Q.Zhang等人報道了10kV溝槽型4H-SiCp-IGBT,獲得了較好的實驗結(jié)果,分別在25℃和150℃下獲得了-7.5V和-4V的開啟電壓以及175mΩ.cm2和13mΩ.cm2的比導(dǎo)通電阻,30A/cm2電流密度下的正向?qū)▔航导s為-12V,這是實驗獲得的首個10kV電壓等級的SiCIGBT器件。2007年,美國Purdue大學(xué)Y.Sui等人研制了阻斷電壓高達(dá)20kV的4H-SiC平面型p-IGBT,器件的P-區(qū)厚175μm,在300W/cm2封裝功率密度的限制下,其最大電流比相同電壓等級4H-SiCMOSFET的理論最大電流高1.2倍(室溫)和2.1倍(177℃)。2010年,Purdue大學(xué)X.Wang等人研制了阻斷電壓高達(dá)20kV的傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)4H-SiCn-IGBT,在300W/cm2封裝功率密度的限制下,獲得了27.3A/cm2的正向電流和177mΩ·cm2的比導(dǎo)通電阻。2012年Cree公司也報道了15kV的SiCP溝IGBT和12.5kV的SiCN溝IGBT。隨著器件性能的提升,2013年美國北卡州立大學(xué)的A.Kadavelugu等人基于Cree公司的4H-SiCn-IGBT和p-IGBT相繼制備了SiCIGBT模塊并搭建了互補逆變器,展示了SiCIGBT模塊的性能優(yōu)勢。隨著SiC材料生長技術(shù)的進(jìn)一步完善,SiCIGBT也將走向?qū)嵱没?igbt系統(tǒng)國內(nèi)在“八五”科技攻關(guān)中即安排了IGBT的研發(fā),并制備出樣品,但此后,我國IGBT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展非常緩慢,僅有少量IGBT模塊生產(chǎn),沒有IGBT芯片的國產(chǎn)化。近幾年,在國家政策特別是國家科技重大專項的推動及市場牽引下,我國IGBT產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展,呈現(xiàn)出大尺寸FZ單晶材料、IGBT芯片工藝和IGBT模塊封裝技術(shù)全面蓬勃發(fā)展的大好局面。天津中環(huán)半導(dǎo)體股份有限公司研制的6英寸FZ單晶材料已批量應(yīng)用,在國家“02”科技重大專項的推動下,8英寸FZ單晶材料已取得重大突破;電磁灶用1200VNPT型IGBT已由多家企業(yè)批量供貨,這標(biāo)志著我國國產(chǎn)IGBT芯片打破了國外一統(tǒng)天下的局面。華潤上華和華虹NEC基于6英寸和8英寸的平面型和溝槽型600V、1200V、1700V、2