IGBT基本結構與工作原理(lǐ)詳解

IGBT自發明(míng)以來(lái), 其應用(yòng)領域不斷擴展。它不僅在工業應用(yòng)中取代了(le)MOSFET, GTR, 甚至已擴展到SCR, GTO占優勢的(de)大(dà)功率應用(yòng)領域, 還(hái)在消費類電子應用(yòng)中取代了(le)雙極性晶體管BJT, MOSFET功率器件的(de)許多(duō)應用(yòng)領域。IGBT額定電壓和(hé)額定電流所覆蓋的(de)輸出容量已達到6MVA, 商品化(huà)IGBT模塊的(de)最大(dà)額定電流已達到3.6k A, 最高(gāo)阻斷電壓爲6.5k V, 并已成功應用(yòng)在許多(duō)中、高(gāo)壓電力電子系統中。另一方面, 由于IGBT具有電導調制效應, 電流密度比MOSFET的(de)大(dà), 因而在同等容量下(xià), 其成本比MOSFET的(de)低。一種短拖尾電流, 高(gāo)頻(pín)類600V IGBT分(fēn)離器件已面世, 其硬開關頻(pín)率可(kě)達150k Hz, 已進一步擴展到功率MOSFET的(de)應用(yòng)領域。用(yòng)高(gāo)頻(pín)IGBT分(fēn)離器件替代功率MOSFET具有成本低, 可(kě)靠性高(gāo)的(de)優勢。

由于MOSFET, IGBT是驅動功耗十分(fēn)低的(de)電壓驅動型功率半導體開關器件, 它們将進一步促進功率半導體集成技術 (PIC, IPM等) 的(de)快(kuài)速發展, 進而易于與信息電子技術密切結合, 由它們所引起的(de)電力電子技術的(de)變革堪稱是一場(chǎng)革命。

IGBT是一個(gè)工作原理(lǐ)複雜(zá)的(de)集成功率半導體器件。結構上, IGBT幾乎集成了(le)半導體器件的(de)所有基本結構, 如二極管、BJT、結型場(chǎng)效應晶體管JFET, MOSFET, SCR。IGBT的(de)結構參數發生變化(huà), 将引起其性能發生相應的(de)變化(huà)。工藝技術上, IGBT利用(yòng)MOS集成電路工藝進行大(dà)面積的(de)功率集成, 設計上表現爲單元胞尺寸的(de)縮小, 并聯集成的(de)元胞數量越多(duō), 通(tōng)态壓降 (導通(tōng)損耗) 逐漸減小。IGBT的(de)工藝設計尺寸規則已從5μm先進到0.5μm的(de)亞微米工藝, 晶片加工已從"100mm發展到"200mm。

圖1示出已成熟投産的(de)穿通(tōng)型IGBT (Punch Through IGBT, 簡稱PT-IGBT) 的(de)原理(lǐ)結構。

這(zhè)裏要特别指出: (1) 理(lǐ)論上, 發射極總電流由與PIN二極管串聯的(de)MOSFET, pnp晶體管和(hé)pnpn晶閘管3部分(fēn)電流組成, 其相對(duì)大(dà)小與具體結構和(hé)工作條件有關。正常的(de)IGBT要避免晶閘管的(de)作用(yòng), 控制晶體管的(de)作用(yòng); (2) 在每個(gè)元胞的(de)p型阱區(qū)中心處鋁電極将pn結短路, 并且加深n型源區(qū)下(xià)的(de)p阱深度, 兩者均爲了(le)抑制晶閘管的(de)作用(yòng), 避免鎖定; (3) p+集電區(qū)與n-耐壓層之間加入一個(gè)n+緩沖層, 其作用(yòng)是用(yòng)更薄的(de)n-層得(de)到同樣的(de)耐壓, 從而減小通(tōng)态壓降和(hé)開關時(shí)間; (4) 必須采用(yòng)電子輻照(zhào)等壽命控制技術, 以提高(gāo)開關速度。

上述PT-IGBT已獲得(de)了(le)比VD-MOSFET更低的(de)通(tōng)态壓降, 以及比雙極功率器件更高(gāo)的(de)工作頻(pín)率, 而且驅動電路簡單, 功耗小。但它還(hái)有許多(duō)需要改進的(de)地方: (1) 需進一步降低功耗, 包括減小通(tōng)态電阻, 以降低通(tōng)态損耗, 減短開關時(shí)間, 以降低開關損耗; (2) 改善溫度性能。由于過剩載流子壽命随溫度升高(gāo)而變長(cháng), 采用(yòng)壽命控制技術的(de)PT-IGBT, 其UCE sat和(hé)Ron具有負溫度系數, 因而不利于IGBT并聯使用(yòng), 關斷損耗Eoff具有正溫度系數, 會增大(dà)高(gāo)溫功耗; (3) 擴展SOA; (4) 降低制造成本等。

集電區(qū)層 (下(xià)層) 結構的(de)新概念———透明(míng)集電區(qū)技術, 把IGBT集電極的(de)空穴注入效率降低到0.5以下(xià), 使通(tōng)過集電結的(de)總電流中電子流起主要作用(yòng), 一般達70%以上。在IGBT關斷時(shí), n-區(qū)存儲的(de)過剩電子能透過集電區(qū)迅速流出, 實現快(kuài)速關斷。因此, 無需用(yòng)壽命控制技術。這(zhè)樣不僅得(de)到了(le)高(gāo)開關速度, 更重要的(de)是具有了(le)UCE sat和(hé)Ron正溫度系數的(de)寶貴性能, 同時(shí)關斷損耗随溫度變化(huà)也(yě)很小。這(zhè)種溫度性能可(kě)粗淺理(lǐ)解爲透明(míng)集電區(qū)IGBT更接近于n-區(qū)電導調制的(de)MOSFET。

n-耐壓層 (中層) 結構的(de)新概念———電場(chǎng)中止 (Field Stop, 簡稱FS) 技術, 其核心是在n-耐壓層與p型集電區(qū)之間加入一個(gè)比n-區(qū)寬度小而摻雜(zá)濃度更高(gāo)的(de)n+型緩沖層。按照(zhào)泊松方程使電場(chǎng)強度在該層中迅速減小到零而達到電場(chǎng)中止, 同時(shí)提高(gāo)n-區(qū)的(de)電阻率, 從而以較薄的(de)耐壓層實現同樣的(de)擊穿電壓。其主要優點是, 耐壓層的(de)減薄可(kě)使通(tōng)态電阻降低和(hé)關斷損耗減小, 後者是因爲通(tōng)态時(shí)存儲的(de)載流子總量減少。圖2示出n-區(qū)的(de)3種寬度設計選擇: (1) 耗盡層在工作電壓和(hé)擊穿電壓下(xià)都穿通(tōng)的(de)n-區(qū), 屬于重穿通(tōng), 爲FS型; (2) 耗盡層在工作電壓下(xià)不穿通(tōng), 而在擊穿電壓下(xià)穿通(tōng)n-區(qū), 屬于輕穿通(tōng), 輕穿通(tōng) (LPT) FS有時(shí)也(yě)稱爲“軟穿通(tōng)” (SPT) , 亦爲FS型; (3) 耗盡層在工作電壓和(hé)擊穿電壓下(xià)都不穿通(tōng)n-區(qū), 此時(shí)無需緩沖層, 爲非穿通(tōng)型。

形成PT-IGBT之後, IGBT芯片結構上層采用(yòng)的(de)各種新設計概念主要是爲了(le)減小UCE sat, 亦即Ron。這(zhè)類新設計概念較多(duō), 擇要如下(xià)。

(1) 溝槽栅技術該技術是在IGBT的(de)Si片正面挖許多(duō)淺而密的(de)溝槽, 把栅氧化(huà)層和(hé)栅電極做(zuò)在溝槽側壁上, 因而MOSFET的(de)溝道就成爲沿溝槽側壁的(de)垂直溝道, 圖3示出溝槽栅IGBT結構。其優點是: (1) 消除了(le)Ron組成部分(fēn)中的(de)RJFET; (2) 溝道呈縱向, 每個(gè)元胞占據表面積小, 所以單位面積芯片中溝道數與溝道總寬度增加, Rch減小且正比于溝道的(de)寬/長(cháng)比; (3) 适當的(de)溝槽寬度與間距可(kě)以提高(gāo)n-區(qū)近表面層的(de)載流子濃度。以上3項特點都能使Ron比平面栅結構有明(míng)顯減小。但是也(yě)有相伴而生的(de)缺點: (1) 溝道寬度過大(dà), 使栅電容過大(dà), 對(duì)開關速度有影(yǐng)響; (2) 不适當的(de)設計會使IGBT的(de)短路電流過大(dà), 短路安全工作成問題; (3) 挖出表面光(guāng)滑的(de)槽壁, 在技術上困難較大(dà), 不光(guāng)滑的(de)表面會影(yǐng)響擊穿電壓, 降低生産成品率。

(2) 近表面層載流子濃度增高(gāo)技術一般IGBT中, 從p型集電區(qū)注入到n-耐壓層的(de)空穴向上表面運動過程中濃度逐漸降低, 所以n-區(qū)中越接近表面處電導調制作用(yòng)越弱, 電阻越大(dà)。近表面層載流子濃度增高(gāo)技術就是用(yòng)各種方法提高(gāo)n-區(qū)中近表面處的(de)電子空穴對(duì)濃度, 以最大(dà)限度地減小通(tōng)态電阻。目前, 采用(yòng)的(de)主要措施是: (1) 加大(dà)pnp管橫向間距技術。在IGBT中, MOSFET與pnp管是達林(lín)頓接法, pnp管的(de)集電結永遠(yuǎn)處于反偏, 所以n-基區(qū)上邊緣近pnp管集電結處空穴濃度很低。具體實現方法是:隔幾個(gè)元胞設置一個(gè)pnp管, 這(zhè)對(duì)平面栅和(hé)溝槽栅都适用(yòng), 圖4示出IEGT中用(yòng)的(de)結構。對(duì)溝槽栅IGBT還(hái)可(kě)簡單地加寬溝槽的(de)寬度來(lái)實現。 (2) 空穴阻擋層, 即載流子存儲層技術。圖5示出該技術結構示意圖。該技術之一是在IGBT中pnp管的(de)p型集電區(qū)周圍用(yòng)一個(gè)摻雜(zá)濃度略高(gāo)于n-區(qū)的(de)n層包圍, 借助n/n-高(gāo)低結的(de)接觸電勢差, 使n型相對(duì)于n-型具有更高(gāo)電位, 從而成爲使n型相對(duì)于n-型具有更高(gāo)電位, 從而成爲阻擋空穴向pnp管集電區(qū)流動的(de)勢壘, 可(kě)以提高(gāo)n-基區(qū)上邊界附近的(de)空穴濃度, 改善電導調制, 減小Ron中的(de)RPIN。

該技術之二被稱爲平面增強 (EP-IGBT) 技術, 是對(duì)上述技術的(de)一種改進, 圖6示出EP-IGBT結構。研究證明(míng), 圖5b的(de)平面型空穴阻擋層技術存在擊穿電壓降低的(de)問題, 因爲位于p阱拐角處的(de)摻雜(zá)濃度較高(gāo)的(de)n型空穴阻擋層有降低擊穿電壓的(de)不良作用(yòng)。所以, 改進的(de)用(yòng)于平面IGBT的(de)空穴阻擋層技術隻保留在p阱側面和(hé)正下(xià)方的(de)n型附加層, 去除p阱拐角處的(de)n型附加層上, 既顯著減小了(le)Ron, 而又不降低擊穿電壓, 可(kě)保持很好的(de)RBSOA效果。

PT-IGBT是曆史上沿用(yòng)下(xià)來(lái)的(de)名稱, 并不嚴謹。應當在其前冠以“非透明(míng)集電區(qū)”才與其結構相符, 才能與近年新發展起來(lái)的(de)大(dà)量透明(míng)集電區(qū)穿通(tōng)型IGBT相區(qū)别。這(zhè)裏仍沿用(yòng)PT-IGBT這(zhè)一名稱。它是在p+矽襯底上外延n+緩沖層和(hé)n-耐壓層, 然後在n-耐壓層表面用(yòng)光(guāng)刻、氧化(huà)、離子注入、熱(rè)擴散、澱積多(duō)晶矽等一系列微電子制造工藝形成MOSFET結構。

它采用(yòng)了(le)透明(míng)集電區(qū)新技術概念。以NPT-IGBT爲開端, 透明(míng)集電區(qū)技術的(de)應用(yòng)開辟了(le)IGBT發展的(de)新紀元。應當在沿用(yòng)至今的(de)NPT-IGBT前面冠以‘透明(míng)集電區(qū)’, 才能與1980年IGBT發明(míng)初期就出現過的(de)外延型非穿通(tōng)型IGBT相區(qū)别。圖7示出1.2k V NPT-IGBT和(hé)PT-IGBT兩者結構和(hé)性能的(de)比較。圖7b示出1.2k V系列NPT-IGBT的(de)大(dà)緻結構參數, n-區(qū)厚175~220μm (對(duì)600V系列, 約爲100μm) 。它是在浮帶區(qū)熔中子嬗變摻雜(zá)的(de)高(gāo)阻n-單晶矽片上制造MOSFET結構的(de), 然後在背面研磨減薄到所需的(de)上述厚度後, 從背面進行硼離子注入形成p型集電區(qū), 再做(zuò)背面金屬電極而成。現代離子注入技術可(kě)精确地控制注入劑量和(hé)能量, 使NPT-IGBT參數離散性十分(fēn)小。NPT-IGBT制造中用(yòng)離子注入制造成的(de)p型集電區(qū)的(de)厚度不足1μm, 有意識地将摻雜(zá)濃度控制到遠(yuǎn)低于PT-IGBT的(de)p+襯底中的(de)濃度, 于是集電極空穴注入效率遠(yuǎn)低于0.5, 實現了(le)透明(míng)集電區(qū)的(de)要求。集電極電流中大(dà)部分(fēn)爲電子電流, 而不是空穴電流, 其工作機理(lǐ)以電導調制MOSFET爲主。

由于采用(yòng)了(le)透明(míng)集電區(qū)技術, 使得(de)NPT-IGBT與PT-IGBT相比, 具有以下(xià)主要性能特點:通(tōng)态電壓UCE sat呈正溫度系數, 見圖7c;功耗和(hé)電流拖尾随溫度的(de)變化(huà)小;功耗與PT-IGBT處于同一技術曲線上的(de)高(gāo)速度端 (PT-IGBT處于低通(tōng)态壓降端) ;因不用(yòng)外延片和(hé)不用(yòng)壽命控制技術而成本低。

開發NPT-IGBT的(de)初衷是擺脫昂貴的(de)高(gāo)阻外延片, 以降低1.7k V以上高(gāo)壓IGBT的(de)制造成本, 因爲厚度100μm以上的(de)外延技術困難且成本極高(gāo), 而透明(míng)集電區(qū)NPT-IGBT具有的(de)電壓正溫度系數、開關速度快(kuài)和(hé)可(kě)靠性高(gāo)的(de)優良性能使它極具吸引力。所以, 趨于朝1.2k V和(hé)600V低壓IGBT方向發展, 但它們的(de)制造過程分(fēn)别需要加工175μm和(hé)100μm的(de)薄矽片, 碎片和(hé)翹曲等問題将嚴重地影(yǐng)響生産成品率, 成爲極大(dà)的(de)挑戰。

實際上現在所說的(de)FS-IGBT類産品基本都是FS技術和(hé)透明(míng)集電區(qū)技術新概念的(de)聯合, 而不是單純的(de)FS技術。它是在NPT-IGBT基礎上爲進一步降低功耗而發展起來(lái)的(de)。從原理(lǐ)上講, FS-IGBT包括重穿通(tōng)和(hé)輕穿通(tōng)型兩種, 各制造廠家也(yě)有不同的(de)名稱, 如FS-IGBT, 軟穿通(tōng)IGBT (Soft-Punchthrough IGBT, 簡稱SP-IGBT) [4]和(hé)LPT IGBT, 薄片PT-IGBT等等。

圖8示出結構、載流子分(fēn)布和(hé)功耗的(de)比較圖。相對(duì)NPT來(lái)說, FS技術的(de)加入, 使得(de)采用(yòng)更薄的(de)n-耐壓層能達到: (1) 與NPT-IGBT同樣的(de)擊穿電壓; (2) 電阻更小, 可(kě)降低UCE sat; (3) 導通(tōng)時(shí)存儲的(de)過剩載流子總量減少, 使關斷時(shí)間縮短, 因而Eoff小。

透明(míng)集電區(qū)溝槽栅場(chǎng)中止型IGBT (Trench FS IGBT) 是挖槽 (Trench) 技術、FS技術和(hé)透明(míng)集電區(qū)技術新概念的(de)集大(dà)成, 它具有最低的(de)功率損耗。因單位面積功率損耗顯著減小, 因此可(kě)用(yòng)較小面積的(de)芯片制造出同樣額定電流和(hé)額定功率的(de)器件。以1.7k V IGBT爲例, Trench FS IGBT的(de)芯片面積比前一代非Trench産品減小了(le)1/3, 降低了(le)制造成本, 而且飽和(hé)壓降也(yě)大(dà)大(dà)降低。然而, 挖槽以後會在加工過程中增加芯片的(de)翹曲, 變形等問題, 使制造難度比FS-IGBT更大(dà)。

軟穿通(tōng) (Soft-Punch-Through, 簡稱SPT) IGBT原理(lǐ)上屬于FS-IGBT的(de)一種, 都是電場(chǎng)中止技術與透明(míng)集電區(qū)技術的(de)結合, 從功耗折衷表曲線來(lái)看, 屬于同一代技術。但是SPT-IGBT具有以下(xià)結構特點: (1) n-耐壓層相對(duì)許多(duō)FS-IGBT來(lái)說略寬一些, 屬于圖2b所示的(de)輕穿通(tōng)型; (2) n型電場(chǎng)中止層, 即緩沖層是從矽片背面熱(rè)擴散形成的(de), 其平均摻雜(zá)濃度較低, 并且是從n-/n界面開始濃度逐漸變高(gāo)。SPT+是爲了(le)進一步減小UCE sat而在SPT結構上再加上圖6所示的(de)EP-IGBT近表面層新技術, 使125℃時(shí)的(de)UCEsat比SPT又減小25%, 而其他(tā)特點保持不變。

注入增強栅晶體管 (Injection Enhanced Gate Transistor, 簡稱IEGT) 是IGBT的(de)一種, 其最大(dà)技術特征是采用(yòng)了(le)加寬pnp管間距的(de)近表面層注入載流子濃度增強技術, 見圖5。IEGT也(yě)有許多(duō)結合其他(tā)先進技術的(de)不同結構。最先進的(de)IEGT是表面層注入載流子增強技術與Trench技術、FS技術、透明(míng)集電區(qū)技術和(hé)局部載流子壽命控制技術的(de)集大(dà)成産品, 其目标是在高(gāo)壓大(dà)電流領域取代GTO, 并在開關速度上超過GTO。

高(gāo)電導率IGBT (High-Conductivity IGBT, 簡稱Hi GT) 有很多(duō)不同結構。它在非透明(míng)集電區(qū)PT-IGBT的(de)基礎上, 采用(yòng)圖5的(de)空穴阻擋層技術使UCE sat顯著降低, 總功耗也(yě)随之顯著降低。Hi GT也(yě)有平面栅和(hé)溝槽栅兩種, 後者性能更好, 但加工過程也(yě)更複雜(zá)。與IGBT相比Hi GT的(de)最大(dà)特點是, 由于靠近空穴阻擋層處空穴濃度顯著升高(gāo), 使UCE sat顯著減小, 但其最大(dà)集電極自限定電流并不增大(dà), 非常有利于短路安全工作。此外, 雖然仍采用(yòng)壽命控制技術, 但UCE sat具有正溫度系數, 利于并聯使用(yòng)和(hé)熱(rè)穩定。應用(yòng)空穴阻擋層技術的(de)溝槽栅IGBT又稱爲CSTBT。

IGBT自誕生以來(lái)的(de)二十餘年獲得(de)了(le)迅速發展。下(xià)層結構透明(míng)集電區(qū)技術的(de)應用(yòng)降低了(le)制造成本, 改善了(le)溫度性能和(hé)開關性能;中層結構電場(chǎng)中止技術的(de)采用(yòng)降低了(le)通(tōng)态損耗和(hé)開關損耗;上層結構溝槽栅技術和(hé)載流子增強技術的(de)采用(yòng)大(dà)幅度降低了(le)飽和(hé)電壓, 提高(gāo)了(le)額定電流;終端處理(lǐ)技術的(de)進步使平面技術已能制造6.5k V額定電壓的(de)器件。但是在電壓、電流範圍方面還(hái)不能完全取代GTO, 在工作頻(pín)率上還(hái)未能從幾十千赫茲推進到幾百千赫茲。