富士電機電子設備技術的IGBT

富士電機電子設備技術的IGBT

富士電機電子設備技術的IGBT 技術從1988 年開始產(chǎn)品化，至今一直在市場上供應。圖 1-3 中表現(xiàn)了從第一代到第五代IGBT 產(chǎn)品的開發(fā)過程以及運用技術。第一代至第三代的IGBT 中運用了外延片，通過優(yōu)化生命期控制和IGBT 的細微化技術，進行了特性的改善。然后，第四代和第五代產(chǎn)品通過從外延片過渡為FZ（Floating Zone）晶片，實現(xiàn)了大幅度的特性改善。就此，IGBT 的設計方針與從前相比，發(fā)生了很大的轉變。

首先，運用外延片的 IGBT（第三～第四代的600V 型為止的系列產(chǎn)品，被稱為“擊穿型”）的基本設計思想如下所述。IGBT 在導通時為了實現(xiàn)低通態(tài)電壓化，從集電極側注入大量的載流子，使IGBT 內(nèi)部充滿高濃度的載流子，再加上為維持高電壓而專門設置的n 緩沖層，形成很薄的n-層，從而實現(xiàn)低通態(tài)電壓。為了實現(xiàn)快速交換，也同時采用以IGBT 內(nèi)充滿的載流子快速消失為目的的生命期控制技術（通過這些也能實現(xiàn)低交換損耗（Eoff））。但是，一旦運用了生命期控制技術，即使處于通常的導通狀態(tài)，由于該技術所產(chǎn)生的效果（載流子的輸送效率下降），出現(xiàn)了通態(tài)電壓增加的問題，而通過載流子的更進一步高注入化可以解決這個問題。

總之，使用外延片技術的IGBT 的基本設計理念可以用“高注入、低輸送效率”簡單扼要地概括出來。相對而言，使用FZ 晶片的IGBT（第四代1200V 以后的系列）采用了抑制來自集電極側載流子的注入，并通過降低注入效率來提高輸送效率的逆向基本設計。在前面所述的使用外延片的IGBT 的設計理念“高注入、低輸送效率”中，通過對生命期的控制，強制性地對好不容易注入的載流子進行抑制，這不僅使特性的改善受到了限制，而且通過對生命期的控制使通態(tài)電壓特性的標準離差增大等問題，對于近年來要求日益提高的并列使用所需的大容量化等方面非常不利。為了攻破此難題而開發(fā)的技術就是運用FZ 晶片的新IGBT（NPT：Non Punch Through（從第四代IGBT 使用）/FS：Field Stop（從第五代IGBT 使用）—IGBT）。該IGBT 不采用生命期控制，其基本的設計思想是通過對集電極（p+層）的不純物質(zhì)濃度進行控制，從而抑制載流子的注入效率。然而，要實現(xiàn)優(yōu)于采用外延片的IGBT 的特性，對于1200V 的耐高壓系列IGBT 也要求能夠實現(xiàn)一百數(shù)十μm 的超薄型產(chǎn)品（使用了FZ 晶片的NPT 和FS-IGBT 中n-層的厚度≒芯片（晶片）的厚度，該厚度越薄越能產(chǎn)生低通態(tài)電壓）?？傊?，將運用FZ 晶片IGBT 的開發(fā)稱為對芯片厚度的挑戰(zhàn)一點也不過分。

富士電機電子設備技術解決了這些課題，從第四代的 1200V 系—IGBT 開始，實現(xiàn)了運用FZ 晶片NPT 構造的“S 系列”的產(chǎn)品化。并且，進一步開發(fā)對厚薄度要求更高的600V 系列技術，目前正在進行600V-U2系列（第五代）的產(chǎn)品化。此外，在1200V 系—第五代“U 系列”中，為了進行更優(yōu)于S 系列的性能改善，已經(jīng)在將NPT 構造改為FS 構造。

所謂 FS 構造，即不運用生命期控制技術，在遵循載流子的“低注入、高輸送效率”的基本設計理念的同時，在FZ 晶片上設置用以維持電壓的n 緩沖層，從而實現(xiàn)比NPT 構造更薄的IGBT 構造。通過這種改變，
1200V 系—U 系列實現(xiàn)了優(yōu)于S 系列的低通態(tài)電壓特性，并且完成了它的產(chǎn)品化。另外，此項技術還運用在1700V 系的高耐壓系列中，目前也正在著手產(chǎn)品化。

圖 1-3 富士電機電子設備技術制IGBT應用技術的變遷

另外，富士電機電子設備技術也同時在進行著 IGBT 的特性改善所不可缺的表面構造的細微化（IGBT 是由多個IGBT 板塊形成的，通過細微化處理，板塊數(shù)量越多越能實現(xiàn)低通態(tài)電壓）。到第四代產(chǎn)品為止一直是運用平面型構造（平面型制作IGBT 的構造）來推進細微化，從而進行特性改善的。但是，從第五代產(chǎn)品-1200、1700V 系列開始，通過開發(fā)和運用在Si 表面開槽并構成IGBT 的溝槽IGBT 技術，打破了細微化的技術屏障，實現(xiàn)了前所未有的特性改善。圖 1-4 為1200V 系列的特性改善的變遷情況。

圖 1-4 平衡特性的改善