電動(dòng)汽車IGBT芯片大電流密度、低損耗優(yōu)化技術(shù)匯總

為滿足電動(dòng)汽車的功率需求，牽引逆變器中一般使用多芯片并聯(lián)的功率模塊。然而，多芯片并聯(lián)會(huì)帶來(lái)并聯(lián)芯片間電流分布不均，回路雜散電感增大和散熱效率下降等問(wèn)題；同時(shí)，受到封裝尺寸的限制，現(xiàn)有技術(shù)下標(biāo)準(zhǔn)模塊的功率很難得到有效地提升。因此，亟需通過(guò)提高單個(gè)芯片的電流密度，來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊功率密度以及模塊電、熱性能的綜合提升。

表 電動(dòng)汽車IGBT芯片大電流密度、低損耗優(yōu)化技術(shù)匯總

實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車 IGBT 芯片在大電流密度的基礎(chǔ)上兼顧低損耗，則需要考慮多種優(yōu)化技術(shù)的有機(jī)組合。溝槽柵技術(shù)是提高電動(dòng)汽車 IGBT 芯片電流密度、減小功率損耗的主要實(shí)現(xiàn)途徑。其中，減小臺(tái)面寬度是主要的優(yōu)化方式，當(dāng)前 IGBT 芯片臺(tái)面寬度遠(yuǎn)大于硅 IGBT 的理論極限(20~40nm)，因此減小臺(tái)面寬度這一優(yōu)化趨勢(shì)目前不會(huì)改變。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬陪柵結(jié)構(gòu)、屏蔽柵結(jié)構(gòu)和載流子存儲(chǔ)層設(shè)計(jì)來(lái)降低通態(tài)壓降和密勒電容，實(shí)現(xiàn)功率損耗降低。隨著電動(dòng)汽車對(duì) IGBT 芯片功率密度、成本和結(jié)溫要求的進(jìn)一步提高，以及芯片設(shè)計(jì)、制造等核心技術(shù)的突破，超級(jí)結(jié) IGBT 和逆導(dǎo) IGBT 將會(huì)成為未來(lái)重點(diǎn)研究方向。艾邦建有IGBT產(chǎn)業(yè)鏈交流，歡迎識(shí)別二維碼加入產(chǎn)業(yè)鏈微信群及通訊錄。

1.溝槽柵技術(shù)

相比于平面柵結(jié)構(gòu)，溝槽柵技術(shù)由于消除了結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(junction gate field-effect transistor，JEFT)區(qū)域，具有元胞緊湊和通態(tài)壓降小的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)更大的電流密度，因此被廣泛用于電動(dòng)汽車芯片領(lǐng)域。

圖 溝槽柵結(jié)構(gòu)

Nakagawa 在 2006 年 ISPSD 會(huì)議上討論了臺(tái)面寬度(即溝槽間距，mesa)對(duì) IGBT 芯片 V-I 曲線的影響，指出在一定范圍內(nèi)，通過(guò)減小臺(tái)面寬度，提高電子注入效率，可以提升 IGBT 芯片在相同導(dǎo)通電壓下的電流密度。

圖 V-I 曲線與臺(tái)面寬度 d 的關(guān)系

電動(dòng)汽車 IGBT 芯片通過(guò)增加有源溝槽的數(shù)目或采用溝槽精細(xì)化技術(shù)均可以有效提高電流密度，同時(shí)結(jié)合非有源溝槽結(jié)構(gòu)占比的調(diào)整，優(yōu)化電流密度與短路耐量之間的折衷關(guān)系。引入虛擬陪柵結(jié)構(gòu)可以減小芯片的密勒電容，從而降低開(kāi)關(guān)損耗，但是需要考慮其連接方式對(duì)芯片短路耐量和開(kāi)關(guān)損耗之間折衷關(guān)系的影響。

圖 溝槽柵優(yōu)化折衷圖

2.屏蔽柵技術(shù)

僅通過(guò)增加溝槽柵數(shù)目或減小臺(tái)面寬度提高 IGBT 芯片的電流密度，會(huì)同時(shí)增大柵極與集電極的正對(duì)面積，導(dǎo)致 IGBT 芯片的密勒電容變大，從而引起 IGBT 芯片開(kāi)關(guān)速度減慢和損耗增大的問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，富士公司提出了溝槽分離(split gate)和屏蔽溝槽柵技術(shù)(trench shield gate)。

圖 分離溝槽柵橫截面示意圖

溝槽分離結(jié)構(gòu)使用 SiO2將溝槽從中間分離，并連接非有源區(qū)與發(fā)射極，用以減小柵極與集電極的正對(duì)面積。相比于傳統(tǒng)溝槽結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了密勒電容降至 1/10，繼而開(kāi)通損耗降低 10%；同時(shí)，通過(guò)浮動(dòng) p 體區(qū)，提高注入效應(yīng)，使通態(tài)壓降降低了 13%。屏蔽溝槽柵技術(shù)與分離溝槽結(jié)構(gòu)原理類似，區(qū)別在于無(wú)需添加氧化物來(lái)分離溝槽，簡(jiǎn)化了制造工藝，并且相比于無(wú)屏蔽溝槽結(jié)構(gòu)的 IGBT，開(kāi)通損耗降低 26%。

圖 無(wú)/有屏蔽溝槽柵的元胞結(jié)構(gòu)示意圖

3.載流子存儲(chǔ)層技術(shù)

溝槽柵制造工藝，例如***的最小線寬和對(duì)準(zhǔn)能力，是 IGBT 芯片臺(tái)面寬度進(jìn)一步下降的瓶頸，因此實(shí)現(xiàn) IGBT 芯片電流密度的提升和功率損耗的下降還需要結(jié)合載流子存儲(chǔ)技術(shù)，使 IGBT 芯片中載流子分布更接近最優(yōu)狀態(tài)。

圖 CSTBT 元胞結(jié)構(gòu)示意圖

傳統(tǒng) IGBT 芯片的載流子濃度從背面集電極到正面發(fā)射極遞減，正面發(fā)射極的低載流子濃度限制了通態(tài)壓降的降低。因此，三菱公司針對(duì)電動(dòng)汽車應(yīng)用領(lǐng)域提出載流子存儲(chǔ)溝槽柵雙極晶體管(carrier stored trench-gate bipolar transistor，CSTBT) 芯片結(jié)構(gòu)，已于 2012 年迭代至第七代。該結(jié)構(gòu)在利用精細(xì)化溝槽技術(shù)提高 IGBT 芯片電流密度的基礎(chǔ)上，通過(guò)添加載流子存儲(chǔ)層 (carrier stored layer，CS layer)阻止空穴進(jìn)入 p 基區(qū)， 以提高近發(fā)射極處的空穴濃度，實(shí)現(xiàn)通態(tài)電壓減小至少 20%。得益于采用高能注入技術(shù)形成 CS 層，相比于熱擴(kuò)散技術(shù)，其減小了 CS 層形成時(shí)對(duì)溝槽摻雜濃度的影響，進(jìn)而提高 Vge(th) 的一致性，改善了 IGBT 芯片通態(tài)時(shí)各元胞的均流效果。

圖 高能注入技術(shù)形成的雜質(zhì)分布

4.超級(jí)結(jié)技術(shù)

超級(jí)結(jié)概念打破了傳統(tǒng)硅器件導(dǎo)通壓降與耐壓間的極限關(guān)系，在 MOSFET 中已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模應(yīng)用。目前，已有將超級(jí)結(jié)概念應(yīng)用到中低壓等級(jí)車規(guī)級(jí) IGBT 芯片的相關(guān)研究，用以更進(jìn)一步地降低芯片的損耗，其通過(guò)調(diào)整超級(jí)結(jié)p柱的摻雜濃度和幾何結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn) 200℃ 下關(guān)斷損耗和通態(tài)電壓折衷關(guān)系的優(yōu)化。

圖 超級(jí)結(jié)場(chǎng)截止 IGBT 元胞結(jié)構(gòu)示意圖

5.逆導(dǎo) IGBT 技術(shù)

逆導(dǎo)型 IGBT(reverse conducting IGBT，RC-IGBT)在傳統(tǒng) IGBT 芯片的集電極局部引入 n+ 區(qū)，與 n-漂移區(qū)和 p 基區(qū)形成 p-i-n 二極管。在同一芯片上將 IGBT 和二極管反并聯(lián)；芯片面積的減小使封裝更加方便，同時(shí)節(jié)省了焊接芯片和鍵合綁定線的成本，具有更大的成本優(yōu)勢(shì)。此外，RC-IGBT 散熱面積大，允許的工作結(jié)溫更高，極大提高了單個(gè)芯片的功率密度。富士公司已經(jīng)成功將其第七代 RC-IGBT 用于 1200A/750V 電動(dòng)汽車功率模塊。

圖 逆導(dǎo) IGBT 元胞結(jié)構(gòu)示意圖

但是，目前 RC-IGBT 芯片存在電壓回跳現(xiàn)象，且由于反向恢復(fù)特性差和成品率較低等因素還未實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

審核編輯：湯梓紅