IGBT究竟是什么？看完這篇你就明白了！

時間：2020-07-16 09:31:21

關鍵字： IGBT

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[導讀]來源：EETOP 電的發(fā)現(xiàn)是人類歷史的革命，由它產生的動能每天都在源源不斷的釋放，人對電的需求不亞于人類世界的氧氣，如果沒有電，人類的文明還會在黑暗中探索。然而在電力電子里面，最重要的一個元件就是IGBT。沒有IGBT就不會有高鐵的便捷生活。一說起IGBT

來源：EETOP

電的發(fā)現(xiàn)是人類歷史的革命，由它產生的動能每天都在源源不斷的釋放，人對電的需求不亞于人類世界的氧氣，如果沒有電，人類的文明還會在黑暗中探索。
然而在電力電子里面，最重要的一個元件就是IGBT。沒有IGBT就不會有高鐵的便捷生活。
一說起IGBT，半導體制造的人都以為不就是一個分立器件(Power Disceret)嘛，都很瞧不上眼。然而他和28nm/16nm集成電路制造一樣，是國家“02專項”的重點扶持項目，這玩意是現(xiàn)在目前功率電子器件里技術最先進的產品，已經全面取代了傳統(tǒng)的Power MOSFET，其應用非常廣泛，小到家電、大到飛機、艦船、交通、電網(wǎng)等戰(zhàn)略性產業(yè)，被稱為電力電子行業(yè)里的“CPU”，長期以來，該產品（包括芯片）還是被壟斷在少數(shù)IDM手上(FairChild、Infineon、TOSHIBA)，位居“十二五”期間國家16個重大技術突破專項中的第二位（簡稱 “02專項”）。
究竟IGBT是何方神圣？讓我們一起來學習它的理論吧。
1、何為IGBT？
IGBT全稱為絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor)，所以它是一個有MOS Gate的BJT晶體管。奇怪吧，它到底是MOSFET還是BJT？其實都不是又都是。不繞圈子了，他就是MOSFET和BJT的組合體。
我在前面講MOSFET和BJT的時候提到過他們的優(yōu)缺點，MOSFET主要是單一載流子(多子)導電，而BJT是兩種載流子導電，所以BJT的驅動電流會比MOSFET大，但是MOSFET的控制級柵極是靠場效應反型來控制的，沒有額外的控制端功率損耗。所以IGBT就是利用了MOSFET和BJT的優(yōu)點組合起來的，兼有MOSFET的柵極電壓控制晶體管(高輸入阻抗)，又利用了BJT的雙載流子達到大電流(低導通壓降)的目的 (Voltage-Controlled Bipolar Device)。從而達到驅動功率小、飽和壓降低的完美要求，廣泛應用于600V以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。
2、傳統(tǒng)的功率MOSFET
為了等一下便于理解IGBT，我還是先講下Power MOSFET的結構。所謂功率MOS就是要承受大功率，換言之也就是高電壓、大電流。我們結合一般的低壓MOSFET來講解如何改變結構實現(xiàn)高壓、大電流。
1)高電壓： 一般的MOSFET如果Drain的高電壓，很容易導致器件擊穿，而一般擊穿通道就是器件的另外三端(S/G/B)，所以要解決高壓問題必須堵死這三端。Gate端只能靠場氧墊在Gate下面隔離與漏的距離(Field-Plate)，而Bulk端的PN結擊穿只能靠降低PN結兩邊的濃度，而最討厭的是到Source端，它則需要一個長長的漂移區(qū)來作為漏極串聯(lián)電阻分壓，使得電壓都降在漂移區(qū)上就可以了。
2) 大電流： 一般的MOSFET的溝道長度有Poly CD決定，而功率MOSFET的溝道是靠兩次擴散的結深差來控制，所以只要process穩(wěn)定就可以做的很小，而且不受光刻精度的限制。而器件的電流取決于W/L，所以如果要獲得大電流，只需要提高W就可以了。
所以上面的Power MOSFET也叫作LDMOS (Lateral Double diffusion MOS)。雖然這樣的器件能夠實現(xiàn)大功率要求，可是它依然有它固有的缺點，由于它的源、柵、漏三端都在表面，所以漏極與源極需要拉的很長，太浪費芯片面積。而且由于器件在表面則器件與器件之間如果要并聯(lián)則復雜性增加而且需要隔離。所以后來發(fā)展了VDMOS(Vertical DMOS)，把漏極統(tǒng)一放到Wafer背面去了，這樣漏極和源極的漂移區(qū)長度完全可以通過背面減薄來控制，而且這樣的結構更利于管子之間的并聯(lián)結構實現(xiàn)大功率化。但是在BCD的工藝中還是的利用LDMOS結構，為了與CMOS兼容。
再給大家講一下VDMOS的發(fā)展及演變吧，最早的VDMOS就是直接把LDMOS的Drain放到了背面通過背面減薄、Implant、金屬蒸發(fā)制作出來的(如下圖)，他就是傳說中的Planar VDMOS，它和傳統(tǒng)的LDMOS比挑戰(zhàn)在于背面工藝。但是它的好處是正面的工藝與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容，所以它還是有生命力的。但是這種結構的缺點在于它溝道是橫在表面的，面積利用率還是不夠高。
再后來為了克服Planar DMOS帶來的缺點，所以發(fā)展了VMOS和UMOS結構。他們的做法是在Wafer表面挖一個槽，把管子的溝道從原來的Planar變成了沿著槽壁的 vertical，果然是個聰明的想法。但是一個餡餅總是會搭配一個陷阱(IC制造總是在不斷trade-off)，這樣的結構天生的缺點是槽太深容易電場集中而導致?lián)舸?，而且工藝難度和成本都很高，且槽的底部必須絕對rouding，否則很容易擊穿或者產生應力的晶格缺陷。但是它的優(yōu)點是晶飽數(shù)量比原來多很多，所以可以實現(xiàn)更多的晶體管并聯(lián)，比較適合低電壓大電流的application。
還有一個經典的東西叫做CoolMOS，大家自己google學習吧。他應該算是Power MOS撐電壓最高的了，可以到1000V。
3、IGBT的結構和原理
上面介紹了Power MOSFET，而IGBT其實本質上還是一個場效應晶體管，從結構上看和Power MOSFET非常接近，就在背面的漏電極增加了一個P+層，我們稱之為Injection Layer (名字的由來等下說).。在上面介紹的Power MOSFET其實根本上來講它還是傳統(tǒng)的MOSFET，它依然是單一載流子(多子)導電，所以我們還沒有發(fā)揮出它的極致性能。所以后來發(fā)展出一個新的結構，我們如何能夠在Power MOSFET導通的時候除了MOSFET自己的電子我還能從漏端注入空穴不就可以了嗎？所以自然的就在漏端引入了一個P+的injection layer (這就是名字的由來)，而從結構上漏端就多了一個P+/N-drift的PN結，不過他是正偏的，所以它不影響導通反而增加了空穴注入效應，所以它的特性就類似BJT了有兩種載流子參與導電。所以原來的source就變成了Emitter，而Drain就變成了Collector了。
從上面結構以及右邊的等效電路圖看出，它有兩個等效的BJT背靠背鏈接起來的，它其實就是PNPN的Thyristor(晶閘管)，這個東西不是我們刻意做的，而是結構生成的。我在5個月前有篇文章講Latch-up(http://ic-garden.cn/?p=511)就說了，這樣的結構最要命的東西就是栓鎖(Latch-up)。而控制Latch-up的關鍵就在于控制Rs，只要滿足α1+α2<1就可以了。另外，這樣的結構好處是提高了電流驅動能力，但壞處是當器件關斷時，溝道很快關斷沒有了多子電流，可是Collector (Drain)端這邊還繼續(xù)有少子空穴注入，所以整個器件的電流需要慢慢才能關閉(拖尾電流, tailing current)，影響了器件的關斷時間及工作頻率。這個可是開關器件的大忌啊，所以又引入了一個結構在P+與N-drift之間加入N+buffer層，這一層的作用就是讓器件在關斷的時候，從Collector端注入的空穴迅速在N+ buffer層就被復合掉提高關斷頻率，我們稱這種結構為PT-IGBT (Punch Through型)，而原來沒有帶N+buffer的則為NPT-IGBT。
一般情況下，NPT-IGBT比PT-IGBT的Vce(sat)高，主要因為NPT是正溫度系數(shù)(P+襯底較薄空穴注入較少)，而PT是負溫度系數(shù)(由于P襯底較厚所以空穴注入較多而導致的三極管基區(qū)調制效應明顯)，而Vce(sat)決定了開關損耗(switch loss)，所以如果需要同樣的Vce(sat)，則NPT必須要增加drift厚度，所以Ron就增大了。
4、IGBT的制造工藝：
IGBT的制程正面和標準BCD的LDMOS沒差，只是背面比較難搞：
1) 背面減?。阂话阋?~8mil，這個厚度很難磨了，容易碎片。 2) 背面注入：都磨到6~8mil了，還要打High current P+ implant >E14的dose，很容易碎片的，必須有專門的設備dedicate。甚至第四代有兩次Hi-current注入，更是挑戰(zhàn)極限了。 3) 背面清洗：這個一般的SEZ就可以。 4) 背面金屬化：這個只能用金屬蒸發(fā)工藝，Ti/Ni/Ag標準工藝。 5) 背面Alloy：主要考慮wafer太薄了，容易翹曲碎片。
5、IGBT的新技術：
1) 場截止FS-IGBT：不管PT還是NPT結構都不能最終滿足無限high power的要求，要做到high power，就必須要降低Vce(sat)，也就是降低Ron。所以必須要降低N-drift厚度，可是這個N-drift厚度又受到截止狀態(tài)的電場約束 (太薄了容易channel穿通)。所以如果要向降低drift厚度，必須要讓截止電場到溝道前提前降下來。所以需要在P+ injection layer與N-drift之間引入一個N+場截止層(Field Stop, FS)，當IGBT處于關閉狀態(tài)，電場在截止層內迅速降低到0，達到終止的目的，所以我們就可以進一步降低N-drift厚度達到降低Ron和Vce了。而且這個結構和N+ buffer結構非常類似，所以它也有PT-IGBT的效果抑制關閉狀態(tài)下的tailing電流提高關閉速度。
問題來了，這和PT-IGBT的N+ buffer差在哪里？其實之制作工藝不一樣。PT-IGBT是用兩層EPI做出來的，它是在P+ 襯底上長第一層~10um的N+ buffer，然后再長第二層~100um的N-Drift。這個cost很高啊！而相比之下的FS-IGBT呢，是在NPT-IGBT的基礎上直接背面打入高濃度的N+截止層就好了，成本比較低，但是挑戰(zhàn)是更薄的厚度下如何實現(xiàn)不碎片。
2) 陽極短接(SA: Shorted-Anode)：它的結構是N+集電極間歇插入P+集電極，這樣N+集電極直接接觸場截止層并用作PN二極管的陰極，而P+還繼續(xù)做它的FS-IGBT的集電極，它具有增強的電流特性且改變了成本結構，因為不需要共封裝反并聯(lián)二極管了。實驗證明，它可以提高飽和電流，降低飽和壓降(~12%)。
6、IGBT的主要I-V特性：
IGBT你既可以把它當做一個MOSFET與PiN二極管串聯(lián)，也可以當做是一個寬基區(qū)的PNP被MOSFET驅動(Darlington結構)，前者可以用來理解它的特性，后者才是他的原理。它看起來就是一個MOSFET的I-V曲線往后挪了一段(>0.7V)，因為溝道開啟產生電流必須滿足漂移區(qū)電流與漂移區(qū)電阻乘積超過0.7V，才能使得P+襯底與N-drift的PN結正向導通，這樣才可以work，否則溝道開啟也不能work的。
最后給大家吹吹牛吧，大家經常會聽到第一代IGBT一直到第六代IGBT，這些是什么意思呢？
1) 第一代：他就是IGBT的雛形，最簡單的原理結構圖那種，所以他必須要提高N-drift來提高耐壓，所以導通電阻和關斷功耗都比較高，所以沒有普及使用。
2) 第二代：PT-IGBT，由于耗盡層不能穿透N+緩沖層，所以基區(qū)電場加強呈梯形分布，所以可以減小芯片厚度從而減小功耗。這主要是西門子公司1990~1995年的產品BSM150GB120DN1("DN1"就是第一代的意思)。它主要在600V上有優(yōu)勢(類似GTR特性)，到1200V的時候遇到外延厚度大成本高、且可靠性低的問題(摻雜濃度以及厚度的均勻性差)。
3)第三代：NPT-IGBT，不再采用外延技術，而是采用離子注入的技術來生成P+集電極(透明集電極技術)，可以精準的控制結深而控制發(fā)射效率盡可能低，增快載流子抽取速度來降低關斷損耗，可以保持基區(qū)原有的載流子壽命而不會影響穩(wěn)態(tài)功耗，同時具有正溫度系數(shù)特點，所以技術比較成熟在穩(wěn)態(tài)損耗和關斷損耗間取得了很好的折中，所以被廣泛采用。代表公司依然是西門子公司率先采用FZ(區(qū)熔法)代替外延的批量產品，代表產品BSM200GB120DN2，VCE>1200V, Vce(sat)=2.1V。
4)第四代：Trench-IGBT，最大的改進是采用Trench結構，是的溝道從表面跑到了垂直面上，所以基區(qū)的PIN效應增強，柵極附近載流子濃度增大，從而提高了電導調制效應減小了導通電阻，同時由于溝道不在表面，所以消除了JFET效應，所以柵極密度增加不受限制，而且在第四代IGBT繼續(xù)沿用了第三代的集電極P+implant技術同時加入了第二代的PT技術作為場終止層，有效特高耐壓能力等。需要使用雙注入技術，難度較大。這個時候是英飛凌的時代了，Infineon的減薄技術世界第一，它的厚度在1200V的時候可以降低到120um~140um(NPT-IGBT需要200um)，甚至在600V可以降低到70um。
5)第五代：FS-IGBT和第六代的FS-Trench，第五、第六代產品是在IGBT經歷了上述四次技術改進實踐后對各種技術措施的重新組合。第五代IGBT是第四代產品“透明集電區(qū)技術”與“電場中止技術”的組合。第六代產品是在第五代基礎上改進了溝槽柵結構，并以新的面貌出現(xiàn)。
目前我國的總體能源利用效率為33%左右，比發(fā)達國家低約10個百分點。當前我國節(jié)能工作面臨較大壓力。
根據(jù)“十一五規(guī)劃”要求，到2010年中國的能源使用效率將在2005年基礎上提高20%。在新能源領域，中國已成為太陽能電池生產的第一大國，風力發(fā)電的累計裝機容量也連續(xù)4年實現(xiàn)翻番，這意味著中國新能源市場蘊藏著巨大的商機。無論是太陽能電池、風力發(fā)電還是新能源汽車，其系統(tǒng)應用都需要把直流電轉換為交流電，承擔這一任務的部件稱為逆變器。逆變器的核心器件是IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)，也是價格最高的部件之一，在國外，IGBT技術及產品不斷更新?lián)Q代，而我國目前還不具備大批量生產IGBT的能力，主要都是珠海南車、北車生產的用于高鐵的IGBT技術，還有華潤微電子(想收購Fairchild)，還有華宏宏力貌似也有，現(xiàn)在國家重點扶持8寸的IGBT技術。

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