学术: 绝缘栅双极型晶体管的研究进展
今日荐文的作者为电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室专家张金平，李泽宏，任敏，陈万军，张波。本篇节选自论文《绝缘栅双极型晶体管的研究进展》，发表于《中国电子科学研究院学报》第9卷第2期。下面和小编一起开始学习吧~
1.引言
作为一种新型的功率半导体器件，绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)既有功率MOSFET 输入阻抗高，控制功率小，易于驱动，开关频率高的优点，又有双极晶体管的导通电流大，导通损耗小的显著优点，在提倡节能减排、低碳经济的时代，具备节能效率高，便于规模化生产，较易实现智能化等优点，因而发展很快，已成为中高功率电力电子领域的主流功率开关器件。
由于IGBT器件的优越特性，目前IGBT已被广泛应用于工业控制、汽车电子、家电产品、照明、消费电子及网络通信等领域，而智能电网、高速铁路、新能源汽车的发展为IGBT开辟了更加广泛的应用市场。使用IGBT可改造包括电力、交通、机械、化工、冶金等传统产业，实现节能减排、信息化和智能化。目前，单个IGBT器件（模块）电压应用覆盖从370V到6500V的范围,应用频率可达150-200kHz。
2.IGBT的演变历程
从上世纪六十年代后期起，人们一直在寻求一种高速、高效的固态开关器件.
1970年代后期，当时在美国GE公司的B. J. Baliga开始致力于一种集成双极载流子物理特性的新型MOS器件研究，并于1979年发表了他的研究成果，向世界首次展示了IGBT的工作原理 (由于在IGBT开发和商用化方面的卓越贡献，Baliga教授被美国总统授予2011年国家技术与创新奖)。
几乎同时，两名美国RCA的工程师，Hans W. Becke和Carl F. Wheatley于1980年递交了一份被后来业界视为IGBT种子专利(seminal patent)的美国专利，该专利首次指出IGBT工作时没有晶闸管效应。
最早开发的IGBT是在VDMOS结构基础上，巧妙地将VDMOS的n+衬底换成p+衬底，从而在器件背面引入pn结而形成。正向导通时背面pn结引入的电导调制效应使IGBT的导电机制由VDMOS的多数载流子（多子）导电变为双极载流子导电，从而克服了作为多子器件的VDMOS正向导通电阻与击穿电压2.5次方的矛盾关系，在高的耐压下可获得低的正向导通压降。
自IGBT发明以来，IGBT的器件技术和应用领域得到了巨大的发展，器件性能也得到了稳步提升。国际知名半导体公司，如Infineon、ABB、Fairchild、IXYS、IR、Hitachi、三菱电子和富士电机等相继投入到IGBT的研发和制造中。到目前，IGBT的器件技术已经过数代的发展，尽管各个公司在产品代数的划分上不完全一致，但基本发展的趋势相同，业界一般将IGBT的演变按栅工程和衬底工程技术简要归纳为如表1的六代。在这六代IGBT结构的基础上，又进一步发展出了包括逆导型IGBT (RC-IGBT) 、逆阻型IGBT (RB-IGBT)和超结型IGBT (SJ-IGBT)等器件新结构。
表1 IGBT的演变
3.IGBT技术的发展
作为一种新型的功率半导体器件，IGBT从问世以来一直朝着低损耗、高频率和高可靠性的方向发展。在过去的三十多年中，其器件和模块技术的发展主要有：
3.1.衬底工程技术
IGBT衬底工程技术的发展主要经历了从穿通(PT)结构到非穿通(NPT)结构再到场阻(FS/LPT/SPT)结构的发展，衬底厚度得到了持续的减小，如图1所示。
图1 IGBT衬底工程技术的发展:PTàNPTàFS
PT型IGBT采用p+衬底上双外延工艺制作，工艺成本高，特别是对于>1200V的高压器件，需要超过100mm的外延层厚度。由于p+衬底浓度通常很高，即便有缓冲（buffer）层的情况下背面集电极的注入效率仍然比较高，器件的关断时间较长。为了减小PT型IGBT的关断时间，需要采用载流子寿命控制技术，以控制漂移区内少数载流子的寿命。同时器件的导通饱和压降具有负的温度系数，器件并联应用时难以实现动态均流，因此不利于大电流下的并联应用。但PT型IGBT结构不需要额外的背面注入工艺，工艺难度低，可以实现很薄的漂移区，与MOS工艺兼容性较好。
为了克服PT型IGBT结构的缺点，G. Miller等人于1989年首先提出了非穿通（NPT）IGBT结构的概念。通过采用高电阻率的区熔（FZ）单晶片替换昂贵的异型高阻厚外延片，使NPT IGBT器件特别是高压IGBT器件的成本得到大幅度降低。同时在硅片背面通过注入和退火工艺形成发射效率较低的集电极，NPT结构的IGBT几乎在全电流范围内导通饱和压降都呈现正温度系数，使大电流并联应用成为可能。
对于NPT结构，为了承受高的阻断电压，需要较厚的漂移区以确保在高电压下不会发生耗尽层穿通的现象。然而厚的漂移区会显著增加器件的导通饱和压降和关断时间，不利于器件性能的提高。在NPT结构基础上，本世纪初提出了FS (电场截止型)IGBT结构。FS型结构具有与PT型结构相似的缓冲层，但掺杂浓度较低。与NPT结构相比，在相同的阻断电压下，FS IGBT结构的硅片厚度可减小约1/3，并且保持了导通饱和压降正电阻温度系数的优点。同时由于较薄漂移区中的过剩载流子减少，FS IGBT还能够减小自身的关断时间，提高器件的关断速度。近年来，随着硅薄片加工工艺的发展，FS IGBT的衬底厚度持续减薄，600V IGBT的硅片厚度减薄到约为70um, 器件性能得到了显著的提高。2011年，Infineon公司发表了基于8英寸超薄片加工技术的400V FS IGBT器件，其硅片厚度仅为40μm。
为了进一步提高器件的性能，超结（SJ）和半超结（Semi-SJ）技术也被引入到IGBT的设计中。通过超结结构p/n柱的电荷补偿作用，在相同的耐压下，SJ 和Semi-SJ IGBT具有比传统FS IGBT更薄的漂移区，更高的漂移区掺杂浓度，从而减小了器件的正向导通压降并减小了正向导通时存储在漂移区的过剩载流子数目，提高了器件的关断速度。同时，由于SJ结构p/n柱反偏结耗尽区的横向扩展，在关断时SJ结构耗尽区展宽速度更快，这进一步提高了器件的关断速度，减小了器件的关断损耗。此外，SJ IGBT还具有更为优异的抗辐照特性，能工作在更为恶劣的环境。典型的SJ IGBT结构如图2所示。
(a) SJ IGBT (b) Semi-SJ IGBT
图2典型的SJ IGBT结构示意图
3.2. 栅工程技术和发射极载流子浓度增强
为了解决平面栅IGBT结构的JFET效应并提高其抗闩锁能力，H. R. Chang和B. J. Baliga于1989年将沟槽技术引入到IGBT工艺中并率先制备了沟槽栅IGBT。沟槽栅IGBT结构消除了平面栅结构的JFET区电阻，并可获得更高的MOS沟道密度，从而可使器件的特性获得显著提高。然而，与平面栅结构相比，沟槽栅结构底部的高电场是影响其可靠性的主要因数之一，因而目前高压IGBT仍主要采用平面栅结构。为了减小沟槽栅结构底部高电场对其可靠性的影响，国际上已提出多种改进的沟槽栅结构并对沟槽栅工艺进行了优化。
对于传统的IGBT结构，漂移区内载流子的浓度分布从集电极到发射极下降很快，特别是在p-base层和漂移区的边界载流子浓度下降为零。在发射极附近低的载流子浓度增大了漂移区的电阻，使器件的导通饱和压降增大。通过精细化图形工艺，减小沟槽栅之间的间距，虽然可以降低导通饱和压降并可改善击穿特性，但是MOS沟道密度的增加会增大器件的饱和电流，导致短路电流增大，影响器件的短路安全工作。为了进一步改善导通饱和压降和关断损耗的折中，并提高器件的短路安全性能，业界提出了发射极载流子浓度增强技术。通过在器件正面引入dummy元胞或浮空p-base层的方式减小与发射极连接的p-base层的面积或在器件正面引入空穴阻挡层或载流子存储层的方式增加空穴从p-base层抽取的势垒，从而提高靠近IGBT发射极的载流子浓度，改善正向导通时器件漂移区的载流子浓度分布。具有发射极载流子浓度增强结构的IGBT具有更好的导通饱和压降和关断损耗的折中，并具有良好的短路安全工作区，典型器件结构有：CSTBT (Mitsubishi)、IEGT (Toshiba)、Floating p-base (Fuji)、HiGT (Hitachi)和EPIGBT (ABB)等，代表结构如图3和4所示。图5为HiGT和传统IGBT的载流子浓度分布对比，从图中可以看出通过采用发射极载流子浓度增强结构，在相同条件下HiGT发射极附近载流子的浓度相比传统结构得到了显著的提高，从而获得了更好的载流子浓度分布。
图3 CSTBT结构
图4 HiGT结构
↑↑↑(a)电子↑↑↑
↑↑↑(b)空穴↑↑↑
图5 HiGT和传统IGBT的载流子浓度分布对比
近年来，随着工艺水平的不断发展，发射极载流子浓度增强技术也在不断的发展。2010年Manabu Takei等人通过在p-base层下方引入埋氧化层的方式提出了DB（Dielectric Barrier）IGBT结构，如图6所示。埋入器件p-base层下方的氧化层直接将大部分p-base层和N型漂移区隔离开来。在正向导通时，埋氧层直接阻止空穴流向p-base层，从而在埋氧层下形成空穴的积累达到载流子浓度增强的效果。2012-2013年Masakiyo Sumitomo等人连续报道了通过优化沟槽刻蚀工艺实现的PNM (Partially Narrow Mesa Structure) IGBT结构，如图7所示，并通过应用双栅控制技术对器件性能进行了优化，获得了优异的正向导通压降和关断损耗的折中。
该结构具有上细下粗的沟槽栅结构，从而在不需要进一步减小沟槽栅间距的情况下实现了栅极下方空穴的积累，实现了载流子浓度增强的目的。2013年Jun Hu等人通过利用沟槽提供的电场屏蔽作用实现了高性能的平面栅发射极载流子增强结构，如图8所示，并获得了小的栅电容和大的短路安全工作区。同时，为了改善传统CSTBT结构载流子存储层掺杂浓度与器件耐压之间的矛盾关系，进一步优化正向导通时漂移区的载流子浓度分布，在传统CSTBT结构的基础上笔者进一步提出了具有p型埋层结构的CSTBT结构。
图6 DB IGBT结构
图7 PNM IGBT结构
图8 TSPG-IGBT结构
3.3. 集电极工程技术和逆导型IGBT
IGBT的关断过程就是IGBT基区中存储的大量过剩载流子的复合和抽取过程。如果能够降低基区中存储的过剩载流子数目并在器件关断时提供载流子的抽取通道，则显然能够有效的减小器件的关断时间，当然这在一定程度上会减弱器件正向导通时的电导调制效应，增加正向导通压降。降低器件集电极注入效率是减小基区中存储的过剩载流子数目的有效手段。透明阳极技术正是这样一种集电极（阳极）工程技术。
在传统IGBT结构的基础上，通过采用较低的集电极掺杂浓度和较薄的集电极厚度，透明阳极结构可显著改善器件的关断特性，减小关断损耗。由于透明阳极结构的集电极掺杂浓度较低，在实际工艺中可能存在集电极的欧姆接触问题，为了改善这一特性在传统透明阳极结构的基础上又进一步发展了双缓冲层阳极、 Striped Anode和Segmented N+P/P+ Anode (SA-NPN)等新结构。
另一类重要的集电极工程技术是阳极短路（Anode Shorted）结构。与透明阳极结构相比，阳极短路结构直接将部分集电极掺杂由p型改为n型，使漂移区与集电极相连。n+区一方面可以在正向导通时有效降低集电极发射效率，另一方面在反向恢复时可以抽取器件漂移区中存储的过剩载流子以加快器件的关断过程，从而改善器件的性能。然而对于传统的阳极短路结构，正向导通时的snap-back现象是困扰其应用的主要问题，为了改善snap-back现象，通过在n buffer或漂移区中引入与n+区串联的JFET电阻，笔者所在小组提出了n-region-controlled 阳极和双阳极等器件新结构。所提出的结构较好地解决了传统阳极短路结构的snap-back现象，并可获得好的器件关断特性以及正向导通压降和关断损耗的折中。
在现代电力电子系统中，IGBT通常需要与反并联的快恢复二极管(Fast Recovery Diode)配合使用。因此将IGBT与FRD单片地集成在同一硅片上的逆导型IGBT（Reverse Conducting IGBT）得到了广泛的关注。逆导型IGBT在结构上与阳极短路结构基本相同，所不同的是逆导型IGBT需要工作在IGBT和FRD两种模式下。与阳极短路结构相似，传统RC-IGBT在正向导通时也存在snap-back的问题，在低温时这一现象会更加明显，甚至会导致器件无法正常开启。为了抑制RC-IGBT的snap-back现象并获得好的二极管特性，业界已提出了多种器件结构，如BIGT (Bi-mode Insulated Gate Transistor)、SJ RC-IGBT、浮空P区槽氧RC-IGBT、双NPN RC-IGBT、浮空P-plug RC-IGBT和具有反平行肖克莱二极管的RC-IGBT等，典型结构如图9-10所示。
图9 BIGT结构
图10浮空P区槽氧RC-IGBT
近年来，随着RC-IGBT的发展，新的效应或工作机制被引入到RC-IGBT结构中，如具有带间遂穿效应的RC-IGBT以及集电极具有二极管连接MOS结构的RC-IGBT等，如图11-12所示。具有带间遂穿效应的RC-IGB通过将带间遂穿效应引入RC-IGBT，不仅大大简化了器件的背面工艺而且可以获得软的二极管反向恢复特性。集电极具有二极管连接MOS结构的RC-IGBT巧妙的通过双面光刻技术在背面引入具有二极管连接的MOS结构，在不增加外接电极的情况下可以完全消除snap-back现象，并可获得好的IGBT和FRD特性。
图11 带间遂穿RC-IGBT结构
图12二极管连接MOS结构RC-IGBT
3.4. IGBT模块技术
在高压大电流的应用场景，为了减小系统的体积和提高其可靠性，需要采用模块封装的形式。模块封装可将多个IGBT和反并联二极管芯片以及热敏电阻等封装在一个模块中，组成单相半桥/全桥或三相全桥等多种电路形式，单个模块可承载上千安培的大电流。典型的模块封装是Infineon公司的 “Econo”系列封装形式。目前，大部分公司生产的IGBT模块采用的均是与英飞凌相同的封装形式，仅有部分产品采用一些特殊的封装结构。
在IGBT模块串联应用的情形，为了提高IGBT模块的可靠性，实现IGBT的超高压应用，ABB公司展示了采用压接式（Press Pack）的4500V/2000A封装结构形式，如图13所示。该模块技术可显著的提高IGBT模块串联应用的可靠性和鲁棒性。
(a)封装外形图
(b) 剖面示意图
图13 press pack封装技术
为了进一步提高模块的封装密度，减小封装铝线的寄生电感并消除大电流下封装铝线的可靠性问题，Semikon公司相继开发了基于双面柔性PCB的3D SKiN封装技术，并展示了600V/400A的逆变器，如图14所示。该技术可广泛应用于电动汽车、新能源和电机驱动等领域。
(a) 剖面示意图（带热沉）
(b) 部件封装的关系图
(c) 双IGBT Skin封装
(d)基于Skin封装的逆变器
图14 Semikon公司3D Skin封装技术
3.5. 新材料IGBT技术
除硅基IGBT外，SiC材料已被用于IGBT的研制。
1999年美国Cree公司的R. Singh等人首次在N型SiC衬底上制备了SiC p-IGBT器件。
2005年，Cree公司的Q.Zhang等人报道了10kV 沟槽型4H-SiC p-IGBT，获得了较好的实验结果，分别在25℃和150℃下获得了-7.5V和-4V的开启电压以及175mΩ.cm2和13mΩ.cm2的比导通电阻，30A/cm2电流密度下的正向导通压降约为-12V，这是实验获得的首个10kV电压等级的 SiC IGBT器件。
2007年，美国Purdue大学Y. Sui等人研制了阻断电压高达20kV的4H-SiC 平面型p-IGBT，器件的P-区厚175μm，在300W/cm2封装功率密度的限制下，其最大电流比相同电压等级4H-SiC MOSFET的理论最大电流高1.2倍（室温）和2.1倍（177℃）。
2010年，Purdue大学X. Wang等人研制了阻断电压高达20kV的传统平面结构4H-SiC n-IGBT，在300W/cm2封装功率密度的限制下，获得了27.3A/cm2的正向电流和177mΩ.cm2的比导通电阻。
2012年Cree公司也报道了15kV的SiC P沟IGBT和12.5kV的SiC N沟IGBT 。
随着器件性能的提升，2013年美国北卡州立大学的A. Kadavelugu等人基于Cree公司的4H-SiC n-IGBT和p-IGBT相继制备了SiC IGBT模块并搭建了互补逆变器，展示了SiC IGBT模块的性能优势。随着SiC材料生长技术的进一步完善，SiC IGBT也将走向实用化。
4.国内发展现状
国内在“八五”科技攻关中即安排了IGBT的研发，并制备出样品，但此后，我国IGBT产业的发展非常缓慢，仅有少量IGBT模块生产，没有IGBT芯片的国产化。近几年，在国家政策特别是国家科技重大专项的推动及市场牵引下，我国IGBT产业得到了迅速发展，呈现出大尺寸FZ单晶材料、IGBT芯片工艺和IGBT模块封装技术全面蓬勃发展的大好局面。
天津中环半导体股份有限公司研制的6英寸FZ单晶材料已批量应用，在国家“02”科技重大专项的推动下，8英寸FZ单晶材料已取得重大突破；电磁灶用1200V NPT型IGBT已由多家企业批量供货，这标志着我国国产IGBT芯片打破了国外一统天下的局面。
华润上华和华虹NEC基于6英寸和8英寸的平面型和沟槽型600V、1200V、1700V 、2500V、3300V、4500V和6500V IGBT芯片已研制成功，正进行可靠性考核或部分进入量产。
杭州士兰微基于全部自产芯片（IGBT、FRD、高压Driver IC）的IPM模块已研发成功并开始进入市场。封装技术取得重大进展。株洲南车时代电气股份有限公司的IGBT功率模块已在国内地铁及机车上批量装车运行，产品性能等同于国外产品。
株洲南车在建立海外功率半导体研发中心的同时，正在湖南建设大功率IGBT产业化基地，在扩展IGBT模块封装线的基础上，建设8英寸IGBT芯片生产线。
中国北车集团属下的西安永电电气有限责任公司在国家“02”科技重大专项“高压大功率IGBT模块封装技术开发及产业化”项目中研制的6500V/600A IGBT功率模块已成功下线，使企业成为世界第四个、国内第一个能够封装6500V以上电压等级IGBT的厂家。
此外，江苏宏微、江苏君芯的IGBT模块已成功进入电焊机市场，浙江嘉兴斯达的IGBT模块正积极向国外市场推广。
虽然国内IGBT行业近年来取得了重大进展，但我们必须清醒地看到，国内IGBT行业与国外相比还存在巨大差距，主要是芯片生产技术上，在量大面广的400V-600V薄片FS IGBT芯片生产、高可靠高性能IGBT芯片技术、压接式IGBT功率模块生产技术等领域我们与国际先进水平还有较大差距。
5.结束语
自IGBT问世以来，IGBT的器件技术和应用领域得到了巨大的发展，器件性能得到了稳步的提升，已成为中高功率应用的主流开关器件。未来IGBT将继续向薄片、场阻型和图形精细化方向发展，其中薄片加工工艺极具挑战。同时，以载流子浓度增强为代表的载流子浓度分布优化技术、以逆导型IGBT为代表的更多集成将作为IGBT的发展趋势。此外，随着SiC材料生长技术的进一步完善，SiC IGBT也将走向实用化。
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