何為IGBT？IGBT的結(jié)構(gòu)和原理

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(méi)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(méi)有IGBT就不會(huì)有高鐵的便捷生活。

一說(shuō)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(guó)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(lái)，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(guó)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(guò)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(lái)控制的，沒(méi)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(guò)背面減薄來(lái)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(guò)背面減薄、Implant、金屬蒸發(fā)制作出來(lái)的(如下圖)，他就是傳說(shuō)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(lái)為了克服Planar DMOS帶來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)等下說(shuō)).。在上面介紹的Power MOSFET其實(shí)根本上來(lái)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(méi)有發(fā)揮出它的極致性能。所以后來(lái)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(lái))，而從結(jié)構(gòu)上漏端就多了一個(gè)P+/N-drift的PN結(jié)，不過(guò)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(lái)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(lái)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(shuō)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(méi)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(lái)沒(méi)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(méi)差，只是背面比較難搞：

1) 背面減薄：一般要求6~8mil，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(wú)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(lái)。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(wèn)題來(lái)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(lái)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很高啊！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(yáng)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(lái)理解它的特性，后者才是他的原理。它看起來(lái)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(guò)0.7V，才能使得P+襯底與N-drift的PN結(jié)正向?qū)ǎ@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(lái)提高耐壓，所以導(dǎo)通電阻和關(guān)斷功耗都比較高，所以沒(méi)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(wèn)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(lái)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(lái)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(guó)的總體能源利用效率為33%左右，比發(fā)達(dá)國(guó)家低約10個(gè)百分點(diǎn)。當(dāng)前我國(guó)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(guó)的能源使用效率將在2005年基礎(chǔ)上提高20%。在新能源領(lǐng)域，中國(guó)已成為太陽(yáng)能電池生產(chǎn)的第一大國(guó)，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(guó)新能源市場(chǎng)蘊(yùn)藏著巨大的商機(jī)。無(wú)論是太陽(yáng)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(guó)外，IGBT技術(shù)及產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，而我國(guó)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(rùn)微電子(想收購(gòu)Fairchild)，還有華宏宏力貌似也有，現(xiàn)在國(guó)家重點(diǎn)扶持8寸的IGBT技術(shù)。

編輯：黃飛