IGBT技术发展概述.pptVIP

IGBT 技术发展新趋势 正面铜电极和铜丝键合技术。有利于正面散热，提高器件抗短路能力 (IEEE ISPSD 2010 p. 33) 将激光退火工艺引入到IGBT制造中。用于背面注入杂质的激活，可大大提高激活率 (IEEE RTP 2007, IEEE ISPSD 2010 p. 29) 采用较深能级杂质（距导带底0.1 eV以上）掺杂形成n型缓冲层，可降低IGBT中p–n–p晶体管电流增益随温度上升的幅度，从而降低Eoff随温度的增加量 (IEEE ISPSD 2010 p.141) * IGBT 技术发展新趋势 更高的工作温度。当前部分器件的最高工作温度已提高到175 C。将工作温度提高到200 C的可能性正在探索之中 (U. Schlapbach et al, ISPSD 2007) 半超结高压IGBT的探索。仿真表明 宇宙射线诱生失效率可以有一到两个数量级降低 抗动态雪崩，改善VCE(on)和Eoff 用于逆导IGBT结构时，还可以有效地减轻常规结构中很难避免的输出特性曲线的回跳（snapback） 所需工艺并不困难，与现有CoolMOS技术相当 (ISPSD 2009 p.168, ISPSD 2010 p.153) * IGBT 技术发展总结 * LPSD LPSD LPSD LPSD LPSD LPSD LPSD LPSD LPSD LPSD LPSD LPSD LPSD LPSD 北京工业大学 功率半导体器件研究室 吴 郁 IGBT 技术发展概述 * 提 要 IGBT 基本结构及特点 IGBT 结构分解 IGBT 表面 MOS 结构的发展 IGBT 体结构的发展 高压 IGBT 北工大的努力和尝试 IGBT 技术发展新趋势 总结 * IGBT 基本结构及特点 * 与功率 MOSFET 只有一层之差：底层 n+ ?p 相当于 p–i–n 二极管与MOSFET 的串联，形成电导率调制的 MOSFET IGBT将绝缘栅简易控制特性与双极器件的强大导电能力结合起来，弥补了功率MOS在高压领域通态电阻偏大的不足 ? n?基区 ? n缓冲层 ? ? C p集电区 ? p阱 ? ? E ? ? ? G 多晶硅栅 沟道区 沟道区 ? n+ n+ IGBT 基本结构及特点 考虑 pnp 型寄生 BJT * IGBT 基本结构及特点 IGBT 优势 强大的导电和快速开关能力? 系统的高效率 易控性和高频工作模式 (几十至几百kHz)?系统的紧凑化 IGBT在 1980 年代一经发明，就受到了广泛的欢迎，经过二十余年的持续应用和不断改进，现已成为电力电子领域中最重要的功率开关器件之一 IGBT在国外大规模商品化生产已十分成熟 额定电压：几百至数千伏 市售器件最高为 6500 V 额定电流：单芯片最大为 50—150 A  模块级（通过芯片并联）最高达 2000 A * IGBT 结构分解 注意 背 p 区命名为集电区是为了在电路应用上与BJT 的符号标记取得一致 但在器件物理上实为寄生 PNP 的发射区 又称 背发射区 或 阳极区 * ? n?基区 ? n缓冲层 ? ? C p集电区 ? p阱 ? ? E ? ? ? G 多晶硅栅 沟道区 沟道区 ? n+ n+ C C E E B G Toshiba IGBT 表面 MOS 结构的发展之一 平面栅?槽栅 降低 RCH 消除 RJFET 通过特定设计也有利于提高体内的过剩载流子浓度 (等效) 宽槽 IEGT * Infineon IGBT 表面 MOS 结构的发展之二 简单 p 阱?n 区包围 p 阱 n 区叫空穴阻挡层，其掺杂浓度略高于n?区 槽栅、平面栅皆适用 有利于提高体内过剩载流子浓度 * 空穴阻挡层提高体内的过剩载流子浓度的原理 * w/ hole barrier w/o holebarrier 空穴阻挡层例 CSTBT HiGT EP * Mitsubishi Hitachi ABB IGBT 体结构的发展 耐压层：穿通 (PT) ? 非穿通 (NPT) ? 穿通 (PT) 集电区：非透明 ? 透明 (注入效率低，电子流大) * ? ? FS: Infineon SPT: ABB LPT: Mitsubishi 厚片加工，难度小 利用缓冲层可减小高阻层厚度，有利于改善VCEon和开关时间 高压器件需厚层外延，成本? 寿命控制致 VCEon 呈负温度系数 对于2 kV 以下器件，工艺的最后阶段是薄片加工，难度大 透明集电区加快了关断速度 无寿命控制，通态电阻呈正温度系数 坚固性好 高阻层厚，通态电阻偏大 2 kV 以下器件，薄片加工难度大 结合了 前二者结构的主要优点 克服了二者的重要缺点 ?