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IGBT向大容量演变的若干问题
来源: | 作者:sanmudianqi | 发布时间: 2017-05-28 | 1643 次浏览 | 分享到:
介绍了迄今为止演变出的五代IGBT产品的特点,指出IGBT今后的发展趋势和需要进一步解决的问题。

1  前言

    IGBT是在上世纪90年代初在功率MOSFET的基础上发展起来的。十多年来,IGBT迅速成长,并成熟为当代最具有竞争力的电力半导体器件之一。实际上,在保持IGBT基本结构、基本原理的特点不变之外,它又经历了五代有各自特色的演变。迄今,根据不同的应用需求,它还在继续演变出不同的、具有特殊性能的派生产品。作为使用IGBT的电力电子装置设计、制造者,了解这个演变过程和这些特征产品及派生产品的特点,对正确选用、合理用好IGBT是十分必要的。

2  在高频大功率化背景下诞生

    从20世纪80年代中开始,电力电子技术开始走上高频化进程。开关频率或工作频率的提高,会使电力电子技术发展得更加丰富、其产品(电力电子装置)的变换效率及功率密度大大提高,从而对高效节能、节省材料,以及自动化、智能化的进展,提供了新的机遇。把MOS技术引入功率领域,开发出功率MOSFET系列产品,在小功率开关电源和小功率运动控制方面显示了它比普通双极型晶体管性能更加明显的优越性。但是,在中、大功率领域硅MOSFET显然无法胜任。把MOS结构发展到更大功率的努力在90年代前后出现了好几个团队在进行开拓、探索。
    1984年巴利伽等人[1]发表了《绝缘栅晶体管》(IGT)的文章,被公认为是IGBT概念正确、科学奠基性的重要文献。经过20年的发展,IGBT日臻完善。现代IGBT具有以下明显优点[2]:

    (1) 保持了MOSFET作为单极型半导体器件的一系列优点:

    a. 在很宽的工作电流范围内具有正电阻温度系数。这对于消除双极型功率器件中不可避免隐藏的“束流效应”和由此带来的许多不安全隐患(如双极晶体管中的二次击穿),具有极其重大的实用价值。
    b. 其反向恢复过程相对于双极型器件来具有超快、超软、超稳定的特点。这不仅有利于缩短装置中必须考虑的“死区时间”,而且有利于串并联运行。
    c.开关速度快得多,达到纳秒量级。
    (2) 便于实现多芯片并联运行,这正是它具有正电阻温度系数特性的直接结果。现在已经有数十片高电压IGBT芯片并联运行多年的成功经验。
    (3) 鉴于其反向恢复电荷小、反向恢复时间短,这为采用新型特快动作的压敏保护器件来实现多个IGBT“直接串联”提供了技术上的可能。
    (4) IGBT的开关损耗远低于双极型器件,而它的通态压降(对应着通态损耗)也越来越接近双极型器件。于是,现代IGBT器件的总功率损耗降低,其运行效率明显提高。
    (5) IGBT在正常工作状况下的锁定效应(Latch-up效应)已被抑制,在过载、浪涌等高电流密度下的动态锁定效应也提高到更高的电流水平。
    (6) IGBT中不存在晶闸管类器件在开通过程中必然存在的电流先集中在初始导通区域然后再逐步向全面积扩展的“慢”过程,而是让电流直接从大量反型了的并联沟道里流通,所以有更高的di/dt  耐量,而且开通过程更加均匀。
    (7) IGBT中隐藏的寄生晶闸管,其一个主发射极是被“短接”的,所以它比GTO晶闸管和某些IGCT等双极型器件有高得多的du /dt 耐量。因此,IGBT比较适合于在高频、大功率应用中担当功率开关管的角色,具有优秀的动态性能。它不仅已经基本取代了GTR(电力晶体管)的一般应用,而且在很多领域内向GTO等器件提出了挑战。

3   在逐代演变中成长、成熟

    最近20年中,IGBT的发展很快,技术改进方案很多,并且实用化。每种改进措施的采取,都会把IGBT的性能向前推进。其中,最重要的还是不断把“通态压降—开关时间”的矛盾处理到更为优化的折衷点。不同公司宣布自己研制生产的IGBT进入了第X代。但是,总体看,随着重大技术改进措施的成功,可以把IGBT的演变归纳成以下五代[3]。

    (1)第一代    图1给出第一代,即平面栅( PT)型外这是最初的IGBT(图略,见概本期第4页)概念提出时的原型产品。它提出了在功率MOS场效应管结构中引入一个漏极侧pn结以提供正向注入少数载流子实现电导调制来降低通态压降的基本方案。这样在IGBT的通态电流中出现了两个分量——MOS场效应分量和PNPN晶闸管分量。调整这两个分量所占的比例,成为处理上述折衷的主要手段。这时的IGBT电压还比较低(600V左右),基区太薄(几十微米),只能采用外延衬底片,在其额定电流的70%值左右,出现负电阻温度系数向正电阻温度系数的转变,所以与此相关的优缺点分析尚不显著;锁定效应(实际上就是其中的晶闸管可能起作用)还不能在其全工作范围内得到有效抑制。就这样,IGBT开始在中小容量变频器中向GTR提出了强劲的挑战,并取得越来越大的市场份额。这时,IGBT的通态压降在2.3-2.6V。
    (2)第二代    采用缓冲层,精密控制图形和少子寿命的平面栅穿通(PT)型外延衬底IGBT(图略,见概本期第4页)。器件纵向采用 n′ 缓冲层,既可以减薄有效基区厚度和硅片总厚度来减小通态压降,又能降低该发射结的注入系数,以抑制“晶闸管效应”。器件横向(平面)采用精密图形,减少每个元胞的尺寸,提高器件的开关速度。再采用专门的扩铂与快速退火措施,以控制基区内少数载流子寿命的较合理分布。这样的IGBT耐压达到1200V,通态压降达到2.1-2.3V,锁定效应得到有效抑制。这时,IGBT已经充分实用化了。
    (3)第三代--沟槽栅(Trench gate)型IGBT(图略,见概本期第4页)这一代IGBT采取沟槽栅结构代替平面栅。在平面栅结构中,电流流向与表面平行的沟道时,栅极下面由P阱区围起来的一个结型场效应管(J-FET)是电流的必经之路,它成为电流通道上的一个串联电阻。在沟槽栅结构中,这个栅下面的J-FET是被干法刻蚀的工艺很好地挖去了,连同包围这个区域、延伸到原来栅极下构成沟道的部分P区层也都挖掉。于是n+发射源区和留下的P区层就暴露在该沟槽的侧壁,通过侧壁氧化等一系列特殊加工,侧壁氧化层外侧的P区内形成了垂直于硅片表面的沟道。在这种结构中,J-FET被挖掉。工作时电流从n-漂移区(基区)直接流进垂直沟道而进入源区。于是这种IGBT的通态压降中剔除了J-FET这块串联电阻的贡献,通态 压降因此可降低到1.7-2.0V。1700V IGBT面市了,其工艺更加成熟,应用也更加广泛。
    (4)第四代——非穿通(NPT)型IGBT(图略,见概本期第4页)随着阻断电压突破2000V的需求,IGBT中随承受电压的基区宽度超过150微米。这时靠高阻厚外延来生成硅衬底的做法,不仅十分昂贵(外延成本同外延层厚度成正比),而且外延层的掺杂浓度和外延层厚度的均匀性都难以保证。这时,采用区熔单晶硅片制造IGBT的呼声日渐成熟,成本可以大为降低,晶体完整性和均匀性得到充分满足。而NPT结构的采用,使得IGBT几乎在全电流范围的工作区内都呈现正电阻温度系数的单极型器件的特点。这种器件实现了本文前面提到的几乎各项优点。由几十个2500V/60A“小”芯片在封装时并联构成的2500V/1000A IGBT压接式器件问世了。IGBT由此开始跨入了大功率应用的门槛。此时,同规格器件的通态压降也达了1.5-1.8V的水平.
    (5)第五代——电场截止(FS)型 (图5)IGBT[4]  (图略,见概本期第4页)当单管阻断电压进一步提高,硅片的基区厚度就会急剧增加。于是,IGBT的通态压降势必随其耐压的提高而增大。FS型IGBT吸收了PT型和NPT型两类器件的优点,形成硅片厚度比NPT型器件薄约1/3、又保持正电阻温度系数单极特征的各项优点。NPT结构中,n-基区(漂移区)同n+型发射区之间没有任何缓冲层,工作时电场在其中呈三角形分布(电场下同距离轴夹成的面积正比于器件的阻断电压)。PT结构中。n-基区与p+发射区之间做有一个n′区缓冲层,该层的N型掺杂浓度较n?基区高得多,其间的电场呈直角梯形分布,基区厚度比较薄,但其电阻温度系数不理想,不利于多芯片并联的自均流效应的实现。于是FS型结构,设置的缓冲层掺杂浓度比PT结构的 n′ 层低,但比基区n-层浓度高,于是电场在其中的分布呈斜角梯形分布:基区可以明显减薄,却还能保留正电阻温度系数的特征。当然,这样的制造难度增大了。但是,此种结构的IGBT已经达到单管6500V的水平。采用FS结构的可比规格IGBT器件的通态压降降低到1.3-1.5V的理想水平。这种结构又被称为弱穿通(LPT)结构。这五代IGBT产品的特点可以概括为〔表1〕所示。


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