第一代到第六代IGBT设计和制造技术的发展概况

第一代到第六代IGBT设计和制造技术的发展概况——愿本文能顺利地为未接触过半导体工艺技术的IGBT使用者提供参考(一)引言：据报道，IGBT功率半导体器件自上世纪八十年代中期问世后，受到应用者的热烈欢迎，大量使用在电力电子装置上，使装置进入了一个突飞猛进阶段。IGBT也越来越深入人心。初期的IGBT存在了很多不足的地方，使应用受到了极大的限制。其后人们针对其存在的不足，作了不断改进。行内习惯按改进次序排列，现今IGBT已进入到第六代。可以这么说每一次改进都有一个飞跃。(二)了解一下半导体虽然IGBT的应用者需要了解的只是IGBT规格、型号、性能、参数和应用须知就够了，但不妨了解一下半导体器件最基本的知识对阅读本文是有帮助的。IGBT是一种功率半导体器件。器件的制作就是在薄薄的一层均匀的半导体硅晶片中按设计方案用特定的工艺手段做成不同功能的若干小区域(可能大家已有了解的所谓PN结、高阻层、高浓度杂质低阻区、绝缘层、原胞、发射极、集电极、栅极等)，而且按要求连接成回路。各个小的功能区的厚薄、大小、位置、杂质性质、杂质浓度甚至杂质浓度分布如浓度梯度都会给器件性能带来极大的影响。所有半导体器件(含微电子、集成电路等)设计和制作就是在硅晶片中做这样的结构文章。如何去制作不同结构的小区域(即晶片内结构)，则需用各种半导体制作工艺(如扩散工艺、外延工艺、离子注入工艺、辐照工艺、光刻工艺、沟槽工艺等)及相关的专用设备和工艺条件(如不同级别的原料、辅料及洁净厂房等)。举例说来，同是功率半导体器件的可控硅和IGBT芯片结构就大不一样。可控硅电流再大、电压再高，只有一个单独的芯片。IGBT则是利用MOS集成电路工艺，在一个大硅晶片上制成若干个可分割的芯片，每个芯片中又有不少的同样结构的原胞并联组成(见下图)，然后在封装时根据需要把芯片组成回路或把芯片并联制成大电流的单管、桥臂等模块。此例只是两者芯片内结构差异中的一个小例而已，其它差异多得是，不胜枚举。(三)IGBT的发展过程IGBT中文名为“绝缘栅双极型晶体管”，是一种MOS功率器件(MOSFET)和大功率双极型晶体管(GTR)混合型电力电子器件。它的控制信号输入是MOS型的，与器件的晶片绝缘(常称绝缘栅)，利用感应原理输入信号。20世纪七十年代出现的MOSFET就是这样一种输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高的MOS器件。它的缺点是导通电阻大、电流通过能力受到限制，还有器件承受工作电压能力也极其有限。当人们把MOSFET绝缘栅技术结合到大功率双极型晶体管(GTR)上就出现了面目全新的IGBT，当时从原理上论证它应该具有电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强、开关速度快等优点。但实际并非如此，甚至第一代IGBT在改进前实用意义不大。于是从上世纪八十年代中到本世纪初这二十年中，IGBT在上述两者结合的基础上走过了六次大改进的路程，常称六代(德国称四代)。这个过程是很艰苦的，面对的是大量的结构设计调整和工艺上的难题。下表概括了六次改进所采取的技术措施和改进后的效果。六代IGBT的变迁与特性改进表(四)IGBT技术改进的追求目标及效果分析1，减小通态压降。达到增加电流密度、降低通态功率损耗的目的。2，降低开关时间，特别是关断时间。达到提高应用时使用频率、降低开关损耗的目的。3，组成IGBT的大量“原胞”在工作时是并联运行，要求每个原胞在工作温度允许范围内温度变化时保持压降一致，达到均流目的。否则会造成IGBT器件因个别原胞过流损坏而损坏。4，提高断态耐压水平，以满足应用需要。上表列出数据表明：1，在同样工作电流下芯片面积、通态饱和压降、功率损耗逐代下降。关断时间也是逐代下降。而且下降幅度很大。达到了增加电流密度、降低功率损耗的目的。2，表上列出的“断态电压”即是Vceo，发射极和集电极之间耐压。这是应用需要提出的越来越高的要求，(五)采取了哪些技术改进措施在硅晶片上做文章，有很多新技术、新工艺。IGBT技术改进措施主要有下面几个方面：1，为了提高工作频率降低关断时间，第一代、第二代早期产品曾采用过“辐照”手段，但却有增加通态压降(会增加通态功耗)的反作用危险。2，第一代与第二代由于体内晶体结构本身原因造成“负温度系数”，造成各IGBT原胞通态压降不一致，不利于并联运行，因此当时的IGBT电流做不大。此问题在第四代产品中采用了“透明集电区技术”，产生正温度系数效果后基本解决了，保证了(四)3中目标的实现。3，第二代产品采用“电场中止技术”，增加一个“缓冲层”，这样可以用较薄的晶片实现相同的耐压(击穿电压)。因为晶片越薄，,饱和压降越小，导通功耗越低。此技术往往在耐压较高的IGBT上运用效果明显。耐压较低的如几百伏的IGBT产品，晶片本来就薄，再减薄到如100到150微米的话，加工过程极容易损坏晶片。4，第三代产品是把前两代平面绝缘栅设计改为沟槽栅结构，即在晶片表面栅极位置垂直刻槽深入晶片制成绝缘栅。栅极面积加大但占用晶片位置减小，增加了栅极密度。工作时增强了电流导通能力，降低了导通压降。5，第四代非穿通型IGBT(NPT)产品不再采用“外延”技术，代之以“硼离子注入”方法生成集电极，这就是(五)2中提到的“透明集电区技术”。除已提到的产生正温度系数、便于并联运行的功能外，主要还有：5.1不必用辐照技术去减少关断时间，因为“透明集电区技术”也有此功能。因此不存在辐照使通态压降增加而增加通态损耗的可能。即(五)1中提到的“危险”。5.2不采用“外延”工艺和“辐照”工艺，可以减低制造成本。6，表中所列的第五、第六代产品是在IGBT经历了上述四次技术改进实践后对各种技术措施的重新组合。第五代IGBT是第四代产品“透明集电区技术”与“电场中止技术”的组合。第六代产品是在第五代基础上改进了沟槽栅结构，并以新的面貌出现。请注意表中第五季第六代产品的各项指标改进十分明显，尤其是承受工作电压水平从第四代的3300V提高到6500V，这是一个极大的飞跃。上述几项改进技术已经在各国产品中普遍采用，只是侧重面有所不同。除此以外，有报道介绍了一些其它技术措施如：内透明集电极、砷掺杂缓冲层、基板薄膜化、软穿通技术等。7，世界各IGBT制造公司的技术动态7.1低功率IGBT摩托罗拉、ST半导体、三菱等公司推出低功率IGBT产品，应用范围一般都在600V、1KA、1KHz以上区域。7.2NPT-IGBT在设计600—1200V的IGBT时，NPT—IGBT可靠性最高，正成为IGBT发展方向。西门子公司可提供600V、1200V、1700V系列产品和6500V高压IGBT，并推出低饱和压降DLC型NPT—IGBT，依克赛斯、哈里斯、英特西尔、东芝等公司也相继研制出NPT—IGBT及其模块系列，富士电机、摩托罗拉等在研制之中。7.3SDB--IGBT三星、快捷等公司采用SDB(硅片直接键合)技术，在IC生产线上制作第四代高速IGBT及模块系列产品，特点为高速，低饱和压降，低拖尾电流，正温度系数易于并联，在600V和1200V电压范围性能优良，分为UF、RUF两大系统。7.4超快速IGBT国际整流器IR公司研制的超快速IGBT可最大限度地减少拖尾效应，关断时间不超过2000ns，采用特殊高能照射分层技术，关断时间可在100ns以下，拖尾更短，重点产品有6种型号。7.5IGBT功率模块IGBT功率模块从复合功率模块PIM发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PEBB、电力模块IPEM。PIM向高压大电流发展，其产品水平为1200—1800A/1800—3300V，IPM600A/2000V。大电流IGBT模块，有源器件PEBB采用平面低电感封装技术。IPEM采用共烧瓷片多芯片模块技术，组装的PEBB大大降低电路接线电感，提高系统效率。智能化、模块化成为IGBT发展热点。编者简介：朱英文：(1939-)，高级工程师，现任北京京仪椿树整流器有限责任公司技术顾问，中国电力电子产业网特约顾问，主要研究电力半导体器件的设计、制造、应用中的热设计和电力半导体器件主回路结构设计。曾参与专业词典、书籍的编写、翻译等工作。主要成果有：“无刷励磁发电机用旋转整流管设计和制造”，“晶闸管芯片球面磨角工艺”“大功率半导体器件用散热器风冷热阻计算方法”等。