秦潇峰
电子科技大学，成都，610054
摘要：回顾IGBT芯片技术的发展历程，从最开始发明，经过不断研究，目前已经广泛的应用在工业控制、电动汽车、轨道交通、智能电网、变频家电中。本文着重介绍了IGBT芯片技术发展历程中，不同时期解决的技术难题，包括闩锁问题、IGBT关断拖尾、降低饱和压降等，以及未来的发展展望。
关键字：IGBT; RC-IGBT; CS-TBT; SJ-IGBT; SIC-IGBT
Overview of IGBT chip technology development
Abstract: Reviewing the development history of IGBT chip technology, after continuous research from the beginning, it has been widely used in industrial control, electric vehicles, rail transit, smart grid and frequency conversion equipment. This article focuses on the technical problems solved in different periods during the development of IGBT chip technology, including latch-up problems, IGBT turn-off tailing, reduction of saturation voltage drop, etc., as well as future development prospects.
Keywords: IGBT; RC-IGBT; CS-TBT; SJ-IGBT; SIC-IGBT
1 引言
在现代社会中，工业控制、新能源汽车、轨道交通、智能电网、变频家电等领域都大量用到功率半导体器件(Power Semiconductor Device)。在1940年的贝尔实验室，就发现了硅材料中存在PN结特性，后来随着美国通用电器公司研发出工业领域用晶闸管，带来了功率半导体器件的广泛应用以及快速发展。功率半导体器件是电力电子系统中的“心脏”，作为电能转换和电路控制的核心，需要对电压、电流、频率、相位等进行控制，以实现功率开关的作用[1]。
在不同的功率以及频率范围中，对器件的特性要求有所不同。在大功率的应用场景中，例如轨道交通、直流输电，此时器件的开关频率非常低，开关损耗导致的发热量较低，主要以导通损耗为主。而在设备功率较小的时候，例如白色家电、伺服电机等领域，工作频率较高，导通损耗占比较低，开关损耗产生的热量较大。因此，在实际的工作时，需要根据应用要求，进行折中优化设计，才能使系统的效率达到最大化[2]。本文回顾了IGBT（insulated gate bipolar transisor）芯片技术的发展历程，以及未来IGBT技术的发展展望。
2 IGBT芯片技术发展
2.1 解决Latch-up 问题
1982年，通用电气公司的B.J.Baliga等人第一次在实验室实现了IGBT[3]。但器件内部寄生的PNPN晶闸管导致闩锁现象(Latch-Up)，器件无法正常工作。且器件关断时间长达18μs，相对于当时的BJT(bipolar junction transistor)并无优势可言。
在1983年，人们一度认为IGBT无法克服寄生晶闸管带来的闩锁问题。1984年，东芝公司的中川明夫(Akio Nakagawa)成功克服了IGBT的闩锁问题，从而为IGBT的商业化铺平了道路[4]。IGBT闩锁原因如图1所示，从集电极注入的空穴通过P型体区(Pbase区)产生压降。当此压降超过PN结的内建电势时，寄生的NPN晶体管会开启，电子会注入到Pbase区。此时寄生的NPN和PNP晶体管均工作在放大模式下，形成正反馈，电流不受栅极控制而增加。为了压制寄生NPN晶体管的开启，降低Pbase区的分布电阻和降低流经Pbase的电流成为常规手段。通过在Pbase区增加P型重掺杂，并减少MOS沟道限制器件的总电流，从而成功解决了IGBT的闩锁问题，其常见结构如图2所示。
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至此，IGBT进入快速发展的阶段，多家厂商成功量产出IGBT，并不断迭代升级。不同厂商对不同代别的IGBT产品定义不同，但总体而言，IGBT器件的发展主要沿着两个方向进展：垂直结构和正面元胞结构。
2.2 降低拖尾电流
80年代末期，多家厂商推出了600V~1200V电压的IGBT产品。由于当时的制造技术限制，基本都采用了正面平面元胞(Planar)和垂直穿通结构(PT)，如图3所示。此类型IGBT的制造与当时的MOSFET制造技术大体兼容。与MOSFET制造工艺不同点在于衬底为P型重掺杂，并需要在N型轻掺杂漂移区和衬底间生长一层N型重掺杂的缓冲层(N-Buffer Layer)用来截止器件关断时的电场。正是由于采用了P型重掺杂的衬底，集电极的空穴注入效率过高，器件导通时在集电结附近存在大量的空穴。这些过量的空穴在器件关断过程中必须被外电路抽取和器件内部复合掉，导致器件关断速度过慢，并引起过高的关断损耗。为克服这一问题，早期的IGBT通常辅以局部辐照技术，减少集电结附近的载流子寿命，以此减少关断损耗并提高开关速度。这不仅提高了制造复杂度，还使器件呈负温特性，不利于并联使用。诸多缺点使这类IGBT在现阶段已基本被淘汰。
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图3 Planar-PT IGBT示意图
1989年，西门子公司率先制造出耐压2000V，电场非穿通的IGBT(NPT-IGBT)[5]，如图4所示。此类型IGBT的正面制造工艺也与当时的MOSFET制程兼容。但由于采用了单晶衬底，需要在正面工序完成之后，在背面进行硅片减薄处理，随后进行P型离子注入。对于电压等级较高的器件(~3000V 以上)，漂移区较厚(~450μm以上)，减薄不需要特别的制程即可实现。但对于600V~1700V等级的IGBT，由于漂移区厚度约100~300μm，需要特殊设备才能进行减薄处理以降低碎片风险。这增加了工艺复杂度，同时由于漂移区厚度较PT型IGBT更厚，即更大的导通损耗，但带来的好处是背面P型区的掺杂浓度可以更加精确的控制。即能够灵活地调试背面集电极的空穴注入效率，调节器件导通时集电结附近的空穴浓度，从而避免使用局部辐照技术。这就使得器件在设计时可以充分考虑应用场景的需求，在导通损耗和关断损耗之间取得更好的折中。同时，由于没有使用局部辐照技术，载流子寿命较高(>10μs)，器件呈正温特性，有利于芯片并联使用。自此以后，硅片减薄技术和透明发射技术成为IGBT制造的主流技术。在1996年，西门子公司成功制造出厚度仅为100μm的600V NPT-IGBT。
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图4 Planar-NPT IGBT示意图
2.3 降低导通压降
为克服高压IGBT导通损耗过大的问题，1993年，东芝公司的中川明夫等人提出了注入增强IGBT结构(IEGT)[7]，如图5所示。其中沟槽周期性排列，但只有部分沟槽之间的区域才有N型重掺杂区，并与阴极相连接。其余沟槽之间的区域没有N型重掺杂，即没有完整的MOS结构，无法形成有效的导电沟道。虽然这减少了MOS沟道，增大了MOS沟道压降，但这依然能够有效降低IGBT整个器件的正向压降。其基本原理是减少IGBT阴极区的有效面积，并结合深沟槽和浅的Pbase区，这样能有效降低阴极区对空穴的收集效率，即提高阴极区空穴的浓度。由于电中性要求，阴极区的电子浓度得到同样的提高。于是，IGBT的导电能力得到提高，导通压降下降。IEGT效果与导电能力更强的GTO（gate turn-off transistor）接近，其实验测试结果如图6所示。
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除了东芝公司外，富士电机也提出了注入增强IGBT结构，其基本元胞如图7所示。以两个沟槽为一组，内侧进行N型重掺杂以形成MOS结构的源极区，外侧不进行N型重掺杂。沟槽组与沟槽组之间进行P型掺杂。此结构也与IEGT结构具有类似的提高阴极区载流子浓度的作用，达到降低导通压降的目的。
另外，三菱公司为克服类似的问题，也于1996年提出了载流子存储沟槽双极晶体管(CSTBT)结构[8]，如图8所示。相对于常规的Trench-IGBT而言，最大的不同点在于Pbase下方进行了一定浓度的N型掺杂。只要N型掺杂的浓度和深度控制合适，那么器件的耐压是几乎不受影响的。此N型掺杂区类似于一个空穴阻挡层，降低了阴极对空穴的收集效率，从而提高阴极区的空穴浓度和电子浓度，从而达到降低导通压降的目的。
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3 IGBT发展展望
IGBT向高速化发展的另一个技术路线则是超结IGBT(Super Junction -IGBT)[20-32]。SJ-IGBT与SJ-MOSFET最大的差异在于，构成耐压层的P柱在MOSFET中是不导电的，而在IGBT中是导电的。SJ-IGBT不同于常规IGBT的一点是P柱和N柱中的导电特性接近于单极导电。而常规IGBT整个漂移区均为双极导电，所以SJ-IGBT的开关速度相对于常规IGBT有着更大的提升空间。
另外，结合第三代半导体材料SiC，IGBT器件在高压领域将进一步拓展，有望打破常规的Si晶闸管在高电压(>8000V)领域的主导地位。
国内IGBT的起步较晚，发展相对滞后。总体而言，在IGBT芯片设计和制造环节，大约有10~15年的差距，而在封测环节的差距更大。
4 结论
IGBT作为能源变换与传输的核心器件，是解决能源短缺以及降低碳排放的关键技术。近年来，随着节能以及新能源产业的快速发展，推动着IGBT市场爆发式的增长。本文回顾了IGBT发展历史上，解决的三大问题，以及展望IGBT发展的方向。
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作者简介：
秦潇峰（1991-），男，硕士研究生，主要研究方向：半导体功率器件
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