IGBT的历史、先进技术和未来前景外文翻译资料

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IGBT的历史、先进技术和未来前景

Noriyuki Iwamuro, Senior Member, IEEE , and Thomas Laska

（特邀论文）

摘要——本文给出了绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为当今电力电子系统的关键组成部分的发展历程的概述；对先进的设备概念的解释和对详细前景和可预见的开发措施的展示。一方面，所有这些措施将引导持续的功率密度和效率提高，这将对节约全球能源和环境保护工作具有重要的贡献。另一方面，成熟的IGBT技术的竞争使宽能级带的下一代（GaN和SiC开关）得到更好的发展。

索引——IGBT开关特性，正向压降，注入增强（IE）效应与IGBT结构（IEGT），绝缘栅双极晶体管（IGBT），智能栅极驱动，结温，最佳载流子分布，功率密度，反向阻断IGBT（RB IGBT），反向导通IGBT（RC IGBT），短路安全工作区（SOA），热管理，薄晶圆技术。

Ⅰ.引言

在上世纪80年代，IGBT的开发是为双极功率晶体管提供一个优异替代方案。双极型功率晶体管的主要缺点之一是在设计用于施加高电压场时的低电流增益时，导致它的门驱动电路的大小、重量和花费等增加。同时，双极功率晶体管需要缓冲电路，以补偿其恶劣的安全工作区。IGBT代表一个MOSFET集成的双极晶体管电源，从某种意义上来说是一个基于MOSFET操作的物理性能和场效应晶体管。对于集成的器件结构来说，栅极驱动信号是用于MOSFET功率结构，提供紧凑的优点，低成本栅极驱动电路可能带来高输入的阻抗，同时还有电压控制操作。在IGBT中，MOSFET功率结构的操作是用场效应晶体管中固有的p-n-p双极型功率晶体管提供基极电流，还被用来调制MOSFET结构漂移区的导电性；因此，可以实现低正向压降。最近几年，IGBT大多数被用于电力电子应用，尤其是中大型功率设备，例如交流传动控制、UPS、可持续能源（风、电）等。在过去四分之一世纪，IGBT芯片及封装技术的发展使IGBT在电力电子设备控制方面起重要角色。本篇文章通过回顾IGBT技术革命的历史来解释为什么IGBT在中大型功率设备中起重要作用。此外，也将讨论未来的技术和有待解决的问题。

Ⅱ.IGBT的历史

A. IGBT的出现

在20世纪60年代，可控硅整流器相对于汞弧整流器来说是一个较好的选择，于是其被用于很多电力电子装置，例如交流电源。此外，可控硅整流器的发展使电力变换器成功发展。在接下来十年也就是20世纪70年代，随着PWM的改革，自动开关装置具有开关速度快、耐压能力强的特点，因此急需发展自断开关装置。为了弥补这个需求，能够轻松处理高压大电流的GTO晶闸管和带添加扩散层的平面型达林顿双极功率晶体管得到了成功的发展。这个晶体管不仅具有利用小电流控制大电流的处理能力，同时还有低正向压降的特点。再者，在双极功率晶体管的情况下，由于其相对宽的反向偏置SOA和最佳器件设计的高短路耐受能力，对于电力转换装置减少功率消耗是非常有效的，甚至是在快速开关装置的应用中。除了芯片的发展，几个晶体管芯片在H桥或三相桥中配置在一个模块上，实现相互连接的包装技术演变，使双极晶体管功率模块的成功研制。于此，功率双极晶体管模块内用于许多电力电子应用。在低电压应用领域中，例如开关电源，MOSFET电源在19世纪70年代变得很有利润。因为MOSFET仅需要很微弱的控制,主要是由于MOS栅结构和快速切换特性。

在20世纪80年代早期，GTO晶闸管和双极型功率晶体管器件仍然是中大型电力电子应用中的关键装置。然而在低电压应用中，是非常需要具有快速开关特性的MOS栅器件，主要是为了PWM控制载波频率的进一步提高。虽然MOSFET提供了低的控制功率和快速开关特性的优点，与双极型功率晶体管相比，随着击穿电压的增加，其导通电阻的急剧增加导致功率处理能力下降。因此，为了适应更高的电压系统，一类基于双极性和MOS物理性能相结合新的功率器件已经被研制出来。在这种情况下，出现了IGBT。

Yamagami介绍了IGBT的基本思路，是由n-MOSFET驱动宽基极p-n-p晶体管（见图1）。从20世纪70年代末到80年代初，一些研究小组通过几篇论文和专利研究了这个特性。Baliga展示了在低栅极偏置条件下表现出电流饱和的垂直MOS栅极晶闸管结构的测量结果。这意味着MOS栅极晶闸管在该条件下作为宽基极p-n-p晶体管工作。Plummer还展示了具有几乎相同的操作机制的类似的MOS栅极晶闸管结构。Becke介绍了具有p阳极区的新功率MOSFET结构的想法。

在这个专利中，Becke描述了这个新的功率MOSFET在任何工作条件下都不会闭锁的特性。这意味着该器件随时可以作为p-n-p晶体管工作。 并且，根据该专利，Russell在1983年公布了这种新的功率MOSFET的测量结果作为“电导率调制FET”。提出了绝缘栅极整流器（IGR）的制造和测量结果，如图2所示。在本篇中，Baliga提到在操作中应当抑制寄生晶闸管工作。所以，尽管这个器件被介绍为整流器，但是很明显，该器件是被设计为MOS栅双极晶体管。

然而，这些设备的实际使用仍然存在致命缺陷; 主要是其较差的闩锁耐受能力。 Nakagawa通过控制MOS沟道电流成功克服了这一关键缺陷，称为“非闩锁”IGBT结构，其具有单元型n 源极和高杂质浅p 区的表面结构，如图3所示。这是IGBT第一次作为实际应用的适用功率器件。因此，新型MOS栅双极型器件在1985年第一次成功投入市场，当时被命名为IGBT。

B.IGBT的发展

IGR是第一个成功制造的MOS栅双极晶体管;然而，因为其开关速度太慢，并且其反向偏置SOA和短路SOA太小而不能代替功率双极晶体管。Nakagawa通过之前所述的非锁定结构成功地解决了SOA问题。在提高开关速度的情况下，Goodmann在1983年提出了具有n 缓冲层的新型IGBT。通过应用n 缓冲层，IGBT能够通过牺牲正向压降得到寿命控制的快速切换特性。IGBT的技术创新需要突破低正向电压降，快速开关特性和高耐受能力之间的折衷关系。因此，与超大规模集成（U-LSI）领域一样，各种最先进的技术创新被应用于IGBT，这些研究的目的是为了克服先前描述的权衡。IGBT电源的设计和工艺技术有助于提高IGBT的特性。自从IGBT具有功率MOSFET结构和p 背面层，设计和制造工艺技术都来源于功率MOSFET。 因此，例如为提高正向电压降，通过应用前沿U-LSI设计和工艺技术实现了应用沟槽栅极技术和沟槽栅极IGBT。之后，对IGBT的发展有几个重要的突破和理解。首先，已经做了很多努力将沟槽技术实现到IGBT结构中。实现沟槽结构的方式是每个沟槽单元彼此靠近的紧密布置。然而，结果是具有巨大的沟道宽度的芯片不能处理短路状态，除非存在内部或外部电流限制电路的附加功能，其对于一些平面单元IGBT是很常见的。此外，载流子分布不适合呈现较低的正向电压降。为了克服这些问题，作者叙述的重要技术之一是其提出注入增强效应（IE）。将IE效应与IGBT结构组合的器件称为IEGT，如图4所示。通过改进表面栅极结构，使其获得了更低的正向电压降值，这种改进增加了流入发射极电极的空穴电流的电阻，使器件表面周围的载流子增强。该技术广泛用于IGBT开发，并仍然应用于最先进的IGBT器件。此外，由Takahashi提出的修改版本IEGT，在p体下方附加n掺杂层的沟槽芯片，被命名为载体存储的沟槽栅双极晶体管（CSTBT）。并且，Laska提出了1200 V沟槽栅极IGBT器件，其具有形状，尺寸和距离最优化的电池设计，以及同时展现更低的正向电压降和优异的短路处理能力。

IGBT的改进是显著的，同时还有可以计算更高电压和电流条件的功率器件仿真技术。首先，1982年展示了以IGR的开状态分析显示的二维载波分布。此外，Nakagawa还展示并分析了IGBT的最佳载波分布，以同时实现较低的正向压降和快速开关特性，Iwamuro等人通过其最初开发的2-D器件模拟器，展示了p沟道和n沟道IGBT之间的IGBT破坏机理的理论和精确分析。由于IGBT与多种元件相连，如各种应用领域的电阻，电感和电容，它们的开关特性必须同时解决半导体方程式和电路.Omura和Nakagawa已经通过完整的外部电路成功开发了一种新的2-D器件模拟器，包括缓冲电路和所有寄生效应，更准确地考虑并分析了器件故障机制。

基于这一成果，功率器件仿真技术一直在改善。此外，除了对IGBT进行了大量的改进，该技术仍然有效地作为先进IGBT技术发展最重要的工具之一。

C.具有薄晶片技术的IGBT

通过具有高掺杂p 衬底的n外延漂移层的设计概念制造了低于1200V的早期的IGBT产品。 该设计使得集电器的空穴注入非常强，因此需要高寿命控制，这种设计导致短路能力差，不适合并联运行。Miller和Sack提出了新型IGBT块结构，称为非贯穿（NPT）IGBT。NPT 式IGBT的特点如下。

1. 适用于廉价的散装晶圆；
2. 需要更薄的晶圆厚度；
3. 从集电极实现低载流子注入；
4. 不需要终身控制；

通过低载流子输入和无寿命控制，NPT式IGBT可以实现IGBT芯片中平载流子分布，以同时获得较低的正向压降和更快的开关速度。低载流子注入和无寿命控制技术引出输出I-V特性正温度系数的另一个优点。这意味着NPT式IGBT适用于并联运行，易于应用于大容量应用。 此外，应该注意的是，由于较厚的n漂移区，该IGBT具有更高的耐受能力，这导致IGBT中的电场强度减小。 因此，NPT式IGBT的发展已经加快了从传统功率双极晶体管到IGBT的快速更换。

很明显，NPT结构对于在阻塞状态下具有梯形场分布的器件具有改进的作用，对如前所述的PT式IGBT是很典型的。可以在不影响 NPT式IGBT的p集电极的情况下实施低剂量场停止层，这种剂量对阻塞条件下的电场是足够大的。 因此，可以将NPT结构的漂移层厚度收缩约三分之一，例如，1200V的场效应晶体管IGBT（FS IGBT）可以制成厚度为120mu;m而不是175mu;m。 图5和表1显示了PT式和NPT式IGBT和FS式IGBT之间的单元电极截面和设计概念的比较。

FS式IGBT首次由Laska发布。FS式IGBT是基于低载流子注入的NPT式IGBT设计理念而设计的，无需寿命廉价的散装晶圆。然而，FS式IGBT不需要像NPT IGBT这样的厚的n极漂移层，因为已经研发了阻止消耗层的场阻挡层。在这种情况下，场阻挡层的掺杂密度仅为PT 15¹⁵times;10 ¹⁶ cm ^-3，与PT式IGBT中的典型缓冲层完全不同。于是，可以在其正向电流传导模式下成功实现平载流子分布，并且可以降低FS式IGBT的正向压降。此外，通过具有较少的过载载流子的较薄漂移层，所以FS式IGBT可以降低其切换损耗。

通过采用沟槽栅极结构，可以提高沟道密度，并可以显著降低正向压降。 这是IGBT的最先进的类型。图6显示了每个电压等级为600，1200和1700V的IGBT晶片厚度改进的年表。应该注意的是，IGBT的薄晶圆技术不仅要使晶片变薄，也要能够绝对没有破裂晶片的植入和扩散杂质，并切避免薄晶片背面的金属蒸发。因此，研究IGBT薄晶片技术是整个半导体行业最先进技术之一。基于场停垂直电池轮廓优化的薄晶片概念的设计理念极大地扩大了IGBT额定值的极限，特别是其电压处理能力，目前已达到6.5 kV。

D.IGBT模块

前面提到的IGBT技术创新的目的是通过提高芯片特性，以达到IGBT功率损耗和成本降低的突破，以及芯片尺寸的缩小（见图7）。IGBT模块由安装在隔离基板上的多个IGBT芯片组成，同时也安装在铜基板上，如图8所示。独立的二极管（FWD）也安装在模块中，以方便系统组装，并允许最小引线电感存在模块的内部和外部。

FWD技术创新不仅是功率损耗和成本降低的突破，而且在不利条件下也能消除电流/电压振荡。在较低电流的关断期间，FWD振荡趋势在额定电流的1/10的范围内增加。可以通过向模具中注入更高的电荷载体来改善所谓的柔软度。 然而，这导致FWD更高的恢复损失。FWD器件的开发是为了使用最少的注入电荷载体达到非常好的柔软度。于是，最新的FWD当然具有柔软性，并确保了具有高输出功率的应用中开关减少恢复损耗的优点。

在图8的散热金属基配置结构中，将DCB基板（具有陶瓷隔离的基板）焊接到散热金属基底，并且将散热片附接到基座上。为了使IGBT模块微型化，需要缩小IGBT和FWD芯片。然而，芯片的微型化会导致功率密度增加，并且由于芯片温度上升而引起芯片可靠性降低。IGBT模块已经和IGBT芯片性能改进进程一致。新型模块封装通过新开发的具有低热阻和高强度的氧化铝陶瓷层DCB基板提供更高的可靠性和更好的电气特性，以增加模块的可用功率单位面积，同时实现更轻的重量、更小的尺寸和更低的成本。因此，包装技术的改进和芯片尺寸的缩小减少IGBT模块所占

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