IGBT器件介紹 IGBT結(jié)構(gòu)與工作原理

一、IGBT器件介紹

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是絕緣柵雙極晶體管的簡稱，其由雙極結(jié)型晶體管(BJT)和金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)組成，是一種復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式開關(guān)功率半導(dǎo)體器件，是實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的核心器件，也是目前MOS-雙極型功率器件的主要發(fā)展方向之一。

IGBT的結(jié)構(gòu)和等效電路圖如圖1所示，其不僅具有MOSFET輸入阻抗高、柵極易驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)，而且具有雙極型晶體管電流密度大、功率密度高等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于軌道交通、新能源汽車、智能電網(wǎng)、風(fēng)力發(fā)電等高電壓、大電流的領(lǐng)域，以及微波爐、洗衣機(jī)、電磁灶、電子整流器、照相機(jī)等低功率家用電器領(lǐng)域。

圖1： a) IGBT簡化結(jié)構(gòu) b) 含有寄生npn晶體管和電阻Rs的等效電路 c) 簡化后的等效電路

二、IGBT結(jié)構(gòu)與工作原理

IGBT的結(jié)構(gòu)可以分為表面柵極結(jié)構(gòu)和體Si結(jié)構(gòu)兩部分，表面柵極結(jié)構(gòu)有兩種類型：柵極形成在晶圓表面的平面柵結(jié)構(gòu)和柵極形成在晶圓表面溝槽中的溝槽柵結(jié)構(gòu)，溝槽柵結(jié)構(gòu)將平面柵的表面溝道移到體內(nèi)，消除了平面柵結(jié)構(gòu)中的JFET區(qū)，提高了器件的電流密度，平面柵IGBT和溝槽柵IGBT的結(jié)構(gòu)分別如圖2 a)和b)所示。

圖2：a) 平面柵IGBT 圖2：b) 溝槽柵IGBT

另一方面，體Si結(jié)構(gòu)根據(jù)器件在反向耐壓時(shí)耗盡區(qū)是否到達(dá)集電區(qū)可以分為穿通型(PT)IGBT和非穿通型(NPT)IGBT(FS型可以看成是穿通型的改進(jìn)結(jié)構(gòu))，其結(jié)構(gòu)和電場分布如圖3)所示。

圖3 ：a)PT IGBT b) NPT IGBT c) FS IGBT

PT IGBT 、NPT IGBT和FS IGBT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、制作工藝和特性比較如表1)所示。

表1)：PT-IGBT 、NPT-IGBT、FS-IGBT比較

圖2a)展示了IGBT元胞的基本結(jié)構(gòu)，其中P-collector、N-drift和P-base區(qū)構(gòu)成PNP晶體管部分，N+源區(qū)、P-base 基區(qū)以及N-drift作為漏區(qū)共同構(gòu)成NMOS結(jié)構(gòu)。

整體上看，IGBT結(jié)構(gòu)是在MOS管結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將部分n型漏極區(qū)用重?fù)诫sp型區(qū)代替，兩者最大的區(qū)別在于，MOS管器件采用低摻雜的n型漏極區(qū)以獲得較高的擊穿電壓，然而在導(dǎo)通狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生較大的壓降;IGBT背面引入的N-drift/P-collector結(jié)可以在器件導(dǎo)通時(shí)向漂移區(qū)注入少數(shù)載流子，在N-drift區(qū)形成電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，大大降低漂移區(qū)電阻。

IGBT是一個(gè)三端器件，正面有兩個(gè)電極，分別為發(fā)射極(Emitter)和柵極(Gate)，背面為集電極(Collector);在正向工作狀態(tài)下，發(fā)射極接地或接負(fù)壓，集電極接正壓，兩電極間電壓Vce>0，因此IGBT的發(fā)射極和集電極又分別稱為陰極(Cathode)和陽極(Anode)。IGBT可以通過控制其集-射極電壓Vce和柵-射極電壓Vge的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT導(dǎo)通/開關(guān)/阻斷狀態(tài)的控制，其簡要工作原理如下：

當(dāng)IGBT柵-射極加上加0或負(fù)電壓時(shí)，正面MOSFET結(jié)構(gòu)溝道消失，IGBT呈關(guān)斷狀態(tài)。

當(dāng)集-射極電壓Vce<0時(shí)，N-drift/P-collector PN結(jié)處于反偏，IGBT呈反向阻斷狀態(tài)。

當(dāng)集-射極電壓Vce>0時(shí)，分兩種情況：

①若柵-射極電壓Vge

②若柵-射極電壓Vge>Vth ，MOS柵極溝道形成，IGBT呈導(dǎo)通狀態(tài)(正常工作)。此時(shí)，空穴從P+區(qū)注入到N-基區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減少N-基區(qū)電阻RN-的值，使IGBT通態(tài)壓降降低。

三、IGBT工藝技術(shù)

IGBT的正面工藝流程和常規(guī)平面DMOS器件類似。

主要包括以下步驟：保護(hù)環(huán)注入和推進(jìn)→場氧(FOX)形成→溝槽刻蝕與柵氧生長→多晶Poly填充→源區(qū)Pbody與N+注入→介質(zhì)層生長→接觸孔刻蝕與填充→金屬層連接與鈍化層覆蓋。IGBT的背面工藝與DMOS有較大差別，主要工藝步驟包括：背面減薄→H注入或P注入形成Buffer層→背面集電極P+注入→激光退火→背面金屬層形成。

IGBT工藝技術(shù)有別于平面DMOS且加工難度大的方面包括：超薄片加工、高能離子注入、背面激光退火。

四、IGBT發(fā)展路線

從20世紀(jì)80年代IGBT器件誕生至今，隨著工藝水平的發(fā)展，IGBT先后經(jīng)歷了7代升級(jí)，從平面穿通型(PT)到平面非穿通型(NPT)，再到溝槽場截止型(Trench FS)，芯片面積、工藝線寬、通態(tài)飽和壓降、關(guān)斷時(shí)間、功率損耗等各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)經(jīng)歷了不斷的優(yōu)化，阻斷電壓也從最初的600V提高到10000V以上，產(chǎn)品涵蓋低中高各個(gè)電壓范圍。

IGBT各代次技術(shù)參數(shù)對(duì)比如下表2所示。

表2)：IGBT各代次技術(shù)參數(shù)對(duì)比

未來IGBT器件將向著槽柵結(jié)構(gòu)、精細(xì)化圖形、載流子注入增強(qiáng)調(diào)制、以及薄片化的加工工藝和更大尺寸的晶圓方向繼續(xù)發(fā)展;同時(shí)，先進(jìn)的封裝技術(shù)和更多功能的集成也是IGBT的發(fā)展方向;此外，伴隨著SiC材料開發(fā)逐漸走向成熟，SiC IGBT器件的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化或許會(huì)給IGTB器件帶來新的生機(jī)。

五、龍騰IGBT產(chǎn)品列表

審核編輯：湯梓紅