一文讀懂IGBT

　　IGBT是一種電壓控制的電力三極管，你可以看作是一個(gè)高功率版本的CMOS管。特點(diǎn)是開關(guān)頻率高，家庭方面的主要應(yīng)用比如變頻空調(diào)、電磁爐，微波爐，還有就是電腦電源的主動(dòng)pfc還有UPS。工業(yè)方面應(yīng)用主要用于各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從功能上來說，IGBT就是一個(gè)電路開關(guān)，用在電壓幾十到幾百伏量級(jí)、電流幾十到幾百安量級(jí)的強(qiáng)電上的。

　　電的發(fā)現(xiàn)是人類歷史的革命，由它產(chǎn)生的動(dòng)能每天都在源源不斷的釋放，人對(duì)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(huì)在黑暗中探索。

　　然而在電力電子里面，最重要的一個(gè)元件就是IGBT。沒有IGBT就不會(huì)有高鐵的便捷生活。

　　一說起IGBT，半導(dǎo)體制造的人都以為不就是一個(gè)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(xiàng)”的重點(diǎn)扶持項(xiàng)目，這玩意是現(xiàn)在目前功率電子器件里技術(shù)最先進(jìn)的產(chǎn)品，已經(jīng)全面取代了傳統(tǒng)的Power mosFET，其應(yīng)用非常廣泛，小到家電、大到飛機(jī)、艦船、交通、電網(wǎng)等戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，被稱為電力電子行業(yè)里的“CPU”，長(zhǎng)期以來，該產(chǎn)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(gè)重大技術(shù)突破專項(xiàng)中的第二位（簡(jiǎn)稱 “02專項(xiàng)”）。

　　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(gè)有MOS Gate的BJT晶體管。奇怪吧，它到底是MOSFET還是BJT？其實(shí)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(shí)候提到過他們的優(yōu)缺點(diǎn)，MOSFET主要是單一載流子（多子）導(dǎo)電，而BJT是兩種載流子導(dǎo)電，所以BJT的驅(qū) 動(dòng)電流會(huì)比MOSFET大，但是MOSFET的控制級(jí)柵極是靠場(chǎng)效應(yīng)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(diǎn)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(dá)到大電流（低導(dǎo)通壓降）的目的 （Voltage-Controlled Bipolar Device）。從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)功率小、飽和壓降低的完美要求，廣泛應(yīng)用于600V以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)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(jié)構(gòu)。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(jié)合一般的低壓MOSFET來講解如何改變結(jié)構(gòu)實(shí)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(dǎo)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?jiǎn)栴}必須堵死這三端。Gate端只能靠場(chǎng)氧墊在Gate下面隔離與漏的距離（Field-Plate），而Bulk端的PN結(jié)擊穿只能靠降低PN結(jié)兩邊的濃度，而最討厭的是到Source端，它則需要一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)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(zhǎng)度有Poly CD決定，而功率MOSFET的溝道是靠?jī)纱螖U(kuò)散的結(jié)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?qū)崿F(xiàn)大功率要求，可是它依然有它固有的缺點(diǎn)，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(zhǎng)，太浪費(fèi)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(fù)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(zhǎng)度完全可以通過背面減薄來控制，而且這樣的結(jié)構(gòu)更利于管子之間的并聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大功率化。但是在BCD的工藝中還是的利用LDMOS結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)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(diǎn)，所以發(fā)展了VMOS和UMOS結(jié)構(gòu)。他們的做法是在Wafer表面挖一個(gè)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(gè)聰明的想法。但是一個(gè)餡餅總是會(huì)搭配一個(gè)陷阱（IC制造總是在不斷trade-off），這樣的結(jié)構(gòu)天生的缺點(diǎn)是槽太深容易電 場(chǎng)集中而導(dǎo)致?lián)舸?，而且工藝難度和成本都很高，且槽的底部必須絕對(duì)rouding，否則很容易擊穿或者產(chǎn)生應(yīng)力的晶格缺陷。但是它的優(yōu)點(diǎn)是晶飽數(shù)量比原來多很多，所以可以實(shí)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(gè)經(jīng)典的東西叫做CoolMOS，大家自己google學(xué)習(xí)吧。他應(yīng)該算是Power MOS撐電壓最高的了，可以到1000V。

　　3、IGBT的結(jié)構(gòu)和原理

　　上面介紹了Power MOSFET，而IGBT其實(shí)本質(zhì)上還是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，從結(jié)構(gòu)上看和Power MOSFET非常接近，就在背面的漏電極增加了一個(gè)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(shí)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(dǎo)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(gè)新的結(jié) 構(gòu)，我們?nèi)绾文軌蛟赑ower MOSFET導(dǎo)通的時(shí)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(gè)P+的injection layer （這就是名字的由來），而從結(jié)構(gòu)上漏端就多了一個(gè)P+/N-drift的PN結(jié)，不過他是正偏的，所以它不影響導(dǎo)通反而增加了空穴注入效應(yīng)，所以它的特性就類似BJT了有兩種載流子參與導(dǎo)電。所以原來的source就變成了Emitter，而Drain就變成了Collector了。

　　從上面結(jié)構(gòu)以及右邊的等效電路圖看出，它有兩個(gè)等效的BJT背靠背鏈接起來的，它其實(shí)就是PNPN的Thyristor（晶閘管），這個(gè)東西不是我們刻意做的，而是結(jié)構(gòu)生成的。我在5個(gè)月前有篇文章講Latch-up（http://ic-garden.cn/？p=511）就說了，這樣的結(jié)構(gòu)最要命的東西就是栓鎖（Latch-up）。而控制Latch-up的關(guān)鍵就在于控制Rs，只要滿足α1+α2《1就可以了。

　　另外，這樣的結(jié)構(gòu)好處是提高了電流驅(qū)動(dòng)能力，但壞處是當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，溝道很快關(guān)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(gè)器件的電流需要慢慢才能關(guān)閉（拖尾電流， tailing current），影響了器件的關(guān)斷時(shí)間及工作頻率。這個(gè)可是開關(guān)器件的大忌啊，所以又引入了一個(gè)結(jié)構(gòu)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(guān)斷的時(shí)候，從Collector端注入的空穴迅速在N+ buffer層就被復(fù)合掉提高關(guān)斷頻率，我們稱這種結(jié)構(gòu)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?yàn)镹PT是正溫度系數(shù)（P+襯底較薄空穴注入較少），而PT是負(fù)溫度系數(shù)（由于P襯底較厚所以空穴注入較多而導(dǎo)致的三極管基區(qū)調(diào)制效應(yīng)明顯），而Vce（sat）決定了開關(guān)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(biāo)準(zhǔn)BCD的LDMOS沒差，只是背面比較難搞：

　　1） 背面減?。阂话阋?~8mil，這個(gè)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(shè)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(gè)一般的SEZ就可以。

　　4） 背面金屬化：這個(gè)只能用金屬蒸發(fā)工藝，Ti/Ni/Ag標(biāo)準(zhǔn)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(shù)：

　　1） 場(chǎng)截止FS-IGBT：不管PT還是NPT結(jié) 構(gòu)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(gè)N-drift厚度又受到截止?fàn)顟B(tài)的電場(chǎng)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(chǎng)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(gè)N+場(chǎng)截止層（Field Stop， FS），當(dāng)IGBT處于關(guān)閉狀態(tài)，電場(chǎng)在截止層內(nèi)迅速降低到0，達(dá)到終止的目的，所以我們就可以進(jìn)一步降低N-drift厚度達(dá)到降低Ron和Vce了。 而且這個(gè)結(jié)構(gòu)和N+ buffer結(jié)構(gòu)非常類似，所以它也有PT-IGBT的效果抑制關(guān)閉狀態(tài)下的tailing電流提高關(guān)閉速度。

　　問題來了，這和PT-IGBT的N+ buffer差在哪里？其實(shí)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(zhǎng)第一層~10um的N+ buffer，然后再長(zhǎng)第二層~100um的N-Drift。這個(gè)cost很高??！而相比之下的FS-IGBT呢，是在NPT-IGBT的基礎(chǔ)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(shí)現(xiàn)不碎片。

　　2） 陽極短接（SA： Shorted-Anode）：它 的結(jié)構(gòu)是N+集電極間歇插入P+集電極，這樣N+集電極直接接觸場(chǎng)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(qiáng)的電流特性且改變了成本結(jié)構(gòu)，因?yàn)椴恍枰卜庋b反并聯(lián)二極管了。實(shí)驗(yàn)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(dāng)做一個(gè)MOSFET與PiN二極管串聯(lián)，也可以當(dāng)做是一個(gè)寬基區(qū)的PNP被MOSFET驅(qū)動(dòng)（DarlinGTOn結(jié)構(gòu)）， 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(gè)MOSFET的I-V曲線往后挪了一段（》0.7V），因?yàn)闇系篱_啟產(chǎn)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(jié)正向?qū)?，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(jīng)常會(huì)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(jiǎn)單的原理結(jié)構(gòu)圖那種，所以他必須要提高N-drift來提高耐壓，所以導(dǎo)通電阻和關(guān)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(chǎng)加強(qiáng)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(chǎn)品BSM150GB120DN1（“DN1”就是第一代的意思）。它主要在600V上有優(yōu)勢(shì)（類似GTR特性），到1200V的時(shí)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(shù)，而是采用離子注入的技術(shù)來生成P+集電極（透明集電極技術(shù)），可以精準(zhǔn)的控制結(jié)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(guān)斷損耗，可以保持基區(qū)原有的載流子壽命而不會(huì)影響穩(wěn)態(tài)功耗，同時(shí)具有正溫度系數(shù)特點(diǎn)，所以技術(shù)比較成熟在穩(wěn)態(tài)損耗和關(guān)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(chǎn)品，代表產(chǎn)品BSM200GB120DN2，VCE》1200V， Vce（sat）=2.1V。

　　4）第四代：Trench-IGBT，最大的改進(jìn)是采用Trench結(jié)構(gòu)，是的溝道從表面跑到了垂直面上，所以基區(qū)的PIN效應(yīng)增強(qiáng)，柵極附近載流子濃度增大，從而提高了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)減小了導(dǎo)通電阻，同時(shí)由于溝道不在表面，所以消除了JFET效應(yīng)，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(shù)同時(shí)加入了第二代的PT技術(shù)作為場(chǎng)終止層，有效特高耐壓能力等。需要使用雙注入技術(shù)，難度較大。這個(gè)時(shí)候是英飛凌的時(shí)代 了，Infineon的減薄技術(shù)世界第一，它的厚度在1200V的時(shí)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(chǎn)品是在IGBT經(jīng)歷了上述四次技術(shù)改進(jìn)實(shí)踐后對(duì)各種技術(shù)措施的重新組合。第五代IGBT是第四代產(chǎn)品“透明集電區(qū)技術(shù)”與“電場(chǎng)中止技術(shù)”的組合。第六代產(chǎn)品是在第五代基礎(chǔ)上改進(jìn)了溝槽柵結(jié)構(gòu)，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(dá)國家低約10個(gè)百分點(diǎn)。當(dāng)前我國節(jié)能工作面臨較大壓力。

? ? ? 在新能源領(lǐng)域，中國已成為太陽能電池生產(chǎn)的第一大國，風(fēng)力發(fā)電的累計(jì)裝機(jī)容量也連續(xù)4年實(shí)現(xiàn)翻番，這意味著中國新能源市場(chǎng)蘊(yùn)藏著巨大的商機(jī)。無論是太陽能電池、風(fēng)力發(fā)電還是新能源汽車，其系統(tǒng)應(yīng)用都需要把直流電轉(zhuǎn)換為交流電，承擔(dān)這一任務(wù)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(jià)格最高的部件之一，在國外，IGBT技術(shù)及產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，而我國目前還不具備大批量生產(chǎn)IGBT的能力，主要都是珠海南車、北車生產(chǎn)的用于高鐵的IGBT技術(shù)，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(diǎn)扶持8寸的IGBT技術(shù)。