淺談IGBT發展技術

IGBT全稱為絕緣柵雙極型電晶體,它由絕緣柵型場效應管和雙極型三極體兩個部分組成,其兼具MOSFET輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關速度快和 BJT通態電流大、導通壓降低、損耗小等優點,是功率半導體未來主要的發展方向之一。

GBT技術發展趨勢

從正面柵極結構上來看,其結構經歷了從平面柵向溝槽柵以及最新的微溝槽柵的演化,目前市場 主流的IGBT晶片以溝槽柵為主。柵極結構從平面向溝槽的發展有利於提高電流密度、降低導通 壓降、降低元胞尺並降低製造成本。

從體結構上來看,其經歷了從穿通型(PT,Punch Through)到非穿通型(NPT,Non-Punch Through)再到場截止型(FS,Field Stop)三代的演化。

通過不斷的技術疊代,IGBT晶片各項性能指標不斷優化。從最早的平面穿通型(PT)疊代至精細溝槽柵場截止型,IGBT晶片的各項技術指標如晶片面積、工藝線寬、導通壓降、 關斷時間和功率損耗等均得到了不斷優化。

穿通型(PT,Punch Through)

PT是最初代的IGBT,它使用重摻雜的P+襯底作為起始層,在此之上依次生長N+ buffer,N- base外延,最後在外延層表面形成元胞結構。它因為截止時電場貫穿整個N-base區而得名。它工藝複雜,成本高,而且需要載流子壽命控制,飽和壓降呈負溫度係數,不利於並聯,雖然在上世紀80年代一度呼風喚雨,但在80年代後期逐漸被NPT取代,目前已歸隱江湖,不問世事,目前市面流通的IGBT產品幾乎沒有使用PT技術。

平面柵,非穿通結構(NPT)

NPT-IGBT1987年出山,很快在90年代成為江湖霸主。NPTPT不同在於,它使用低摻雜的N-襯底作為起始層,先在N-漂移區的正面做成MOS結構,然後用研磨減薄工藝從背面減薄到 IGBT 電壓規格需要的厚度,再從背面用離子注入工藝形成P+ collector。在截止時電場沒有貫穿N-漂移區,因此稱為非穿通IGBTNPT不需要載流子壽命控制,但它的缺點在於,如果需要更高的電壓阻斷能力,勢必需要電阻率更高且更厚的N-漂移層,這意味著飽和導通電壓Vce(sat)也會隨之上升,從而大幅增加器件的損耗與溫升。因為N-漂移區厚度大大降低了,因此Vce(sat)相比PT大大減少。正溫度係數,利於並聯。

溝槽柵,場截止(Field Stop)


溝槽型IGBT中,電子溝道垂直於矽片表面,消除了JFET結構,增加了表面溝道密度,提高近表面載流子濃度,從而使性能更加優化。縱向結構方面,為了緩解阻斷電壓與飽和壓降之間的矛盾,英家於2000年推出了Field Stop IGBT,目標在於儘量減少漂移區厚度,從而降低飽和電壓。場截止(Field Stop)IGBT起始材料和NPT相同,都是低摻雜的N-襯底,不同在於FS IGBT背面多注入了一個N buffer層,它的摻雜濃度略高於N-襯底,因此可以迅速降低電場強度,使整體電場呈梯形,從而使所需的N-漂移區厚度大大減小。此外,N buffer還可以降低P發射極的發射效率,從而降低了關斷時的拖尾電流及損耗。

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