第三节
IGBT技术现状及未来发展趋势

一、功率半导体器件技术特点

功率半导体技术的开始是以1957年第一个晶闸管的诞生为标志，晶闸管的派生器件有快速晶闸管（FST）、逆导晶闸管（RCT）、光控晶闸管（LTT）、双向晶闸管（TRIAC）等。晶闸管只能在承受正向电压范围内，通过对门极施加一个触发脉冲才能使其导通，不能通过脉冲的控制使其关闭，属于半控型器件。20世纪60年代后期，门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（Power MOSFET）实现了门极可关断功能，并使斩波工作频率扩展到1kHz以上。20世纪70年代中期，大功率晶体管（GTR）和功率场效应晶体管（Power MOSFET）问世，并实现了场控功能，打开了高频应用的大门。20世纪80年代，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）问世，它综合了功率场效应晶体管和双极型功率晶体管两者的优点，不仅有很高的开关频率，而且有更高的耐压性，可以构成大功率、高频的电力电子电路。功率半导体器件发展进程如图9所示。IGBT与其他半导体器件的特点对比见表3。典型开关元件的特性归类见表4。

二、IGBT技术发展历史

IGBT技术发展经历了六个阶段，分别是平面穿通型（PT）、改进的平面穿通型（PT）、沟槽型（Trench）、非穿通型（NPT）、电场截止型（FS）与沟槽型电场截止型（FS-Trench）。

平面栅PT结构出现在20世纪80年代初，作为第一代和第二代的IGBT结构，其采用外延工艺，在P型衬底上形成N缓冲层，以及其他正面结构。在正面结构中，栅极为平面栅。第二代的IGBT在结构上没有大的变化，图形上更精细化，减小了元胞体积。平面栅NPT结构出现在20世纪80年代末期，作为第三代IGBT结构，其厚度有了明显的改善，参数折中方面也较第一代和第二代穿通结构有了明显改进。沟槽栅NPT结构出现在20世纪90年代中期，作为第四代IGBT结构，其通过沟槽栅的引入，进一步降低了导通电阻。场截止结构的出现是IGBT结构的一个突破，进一步提高了工作频率，降低了导通损耗，通态压降小。场截止结构结合了穿通和非穿通类型器件的优点，硅片厚度比非穿通器件薄了约1/3，有效降低了漂移层的厚度。沟槽栅FS结构作为第六代IGBT结构，其将沟槽栅表面结构应用于场截止垂直结构，进一步提升了器件性能，同时减小了元胞间距。 IGBT的技术路线和发展历程见表5。

回顾IGBT的发展历程，主要是从器件纵向结构、栅极结构，以及硅片的加工工艺三方面进行发展演变。

（1）在纵向结构方面，早期的IGBT是非穿通型（NPT）结构，而后又出现了拥有缓冲层的穿通型（PT）结构，后来随着区熔单晶硅片应用到IGBT制造领域，非穿通型结构开始占据主流。随着实际应用中电压等级越来越高，非穿通型结构的基区宽度要求越来越宽，于是又有了在高压领域向穿通结构的回归，如现在的场终止型、软穿通型结构等。

（2）在栅极结构方面，早期IGBT是平面栅结构，随着Trench（干法刻槽）工艺的成熟，Trench技术开始用于制造IGBT即后来的Trench-IGBT。它的栅极不再是平面型而是垂直于芯片表面的沟槽型结构，消除了平面工艺中存在的JFET区电阻，有效降低了通态损耗，改善了短路耐量。

（3）在硅单晶选择上，早期的IGBT使用外延生长技术，在厚厚的衬底上生长出外延层，进而制作IGBT正面结构。随着工业对IGBT电压等级的要求越来越高，传统的外延生长制造IGBT技术已经无法满足，同时悬浮区熔法制造单晶（Float Zone Silicon）技术的日趋成熟，区熔单晶硅开始应用于高压IGBT的生产，目前1200V以上IGBT基本上都是由区熔硅单晶制作。IGBT演变发展进程如图10所示。

除此之外，在器件终端结构方面，从场限环技术（FLR）、场板技术（FP）到结终端扩展技术（JTE）再到后来变掺杂技术（VLD）。在工艺技术上，电子辐照、中子擅变掺杂、硅片减薄工艺等都先后应用到IGBT芯片的生产。IGBT各代特点及结构见表6。

国际上各大半导体公司均投入巨资开发IGBT器件，如英飞凌、三菱、ABB等。IGBT工艺技术不断改进和提高，电性能参数和可靠性日趋完善。下面以英飞凌公司研发的IGBT为例做简要说明。

英飞凌的第一代IGBT直接从非穿通（NPT）型IGBT开始，在这一时期，IGBT产品不断向高压化发展，单靠增加高阻外延厚度的做法，不仅十分昂贵，而且外延层的掺杂浓度和外延层厚度的均匀性都难以保证。该代IGBT采用电阻率高的FZ（区熔）单晶替换了昂贵的外延片，使得晶体完整性和均匀性得到充分满足。在硅片背面用注入和退火的方法可以形成发射效率较低的P型层。此外，还可以增加对承受高阻断电压的N漂移区的厚度，以至在高电压下不会产生耗尽层穿通现象。NPT结构的采用，使得IGBT几乎在全电流范围的工作区内均呈现正电阻温度系数的单极型器件的特点，而且也使得NPT的制造成本大幅度降低，约为PT型的3/4。

英飞凌的第二代IGBT在N型漂移区引入了电场阻断（Field-Stop）层。它是纵向结构的再一次优化，吸收了PT型和NPT型两类器件的优点，其硅片厚度比NPT型器件薄约1/3，并且它保持了正电阻温度系数的优点。FS型结构设置的N型缓冲层掺杂浓度比PT结构的N ₊ 层低，但比基区N层浓度高（由于衬底掺杂浓度低，关断时电场上升主要取决于等离子电荷浓度，上升的斜率强烈依赖于发射效率），于是电场在其中的分布呈斜角梯形。由于较薄的漂移层中的过剩载流子减少，FS型IGBT还能够降低自身的关断损耗。此外，它在关断时没有拖尾电流。

英飞凌的第三代IGBT是在FS型IGBT的基础上引入沟槽栅，这是当前国外半导体厂商普遍采用的结构组合，栅极采用了沟槽技术，优化了器件表面的载流子分布，改善了器件的导通特性和电流密度。在平面栅结构中，电流流向与表面平行的沟道时，栅极下面由P阱区围起来一个结型场效应管（JFET）是电流的必经之路，它成为电流通道上一个串联电阻。在沟槽栅结构中，这个栅下面的JFET区域被干法刻蚀工艺挖去，连同包围JFET的区域，以及延伸到原来栅极下构成沟道的部分P区内层也都被挖掉。这使得N ₊ 发射区和留下的P区层暴露在该沟槽的侧壁。通过侧壁氧化等一系列特殊加工，侧壁氧化层外侧形成了垂直于硅片表面的沟道。在这种结构中，工作电流从N漂移区（基区）直接流进垂直沟道而进入源区，于是，这种IGBT的通态压降剔除了JFET这块串联电阻的影响。

第四代IGBT是在第三代的基础上，通过优化电场阻挡层的厚度和浓度的方法，进一步减小通态压降，减小开关损耗，增加开关软度，扩展器件安全工作区的面积，而短路电流能力同第三代相似。

第五代IGBT通过应用沟道顶部单元（Trench Top-cell）和场截止（Field-Stop）技术，显著改善了IGBT器件的动态和静态性能。IGBT与软恢复发射极控制二极管的结合则进一步将导通损耗降到了最低。该代IGBT平衡了开关损耗和导通损耗，从而达到了最高效率。

三、IGBT技术现状

1.主要采用的技术

目前，在中低压领域国际主要厂商推出的最新IGBT产品均是基于Trench-FS技术、薄片加工技术和发射极载流子增强技术，如三菱的第七代CSTBT、富士的第七代“X”系列IGBT、英飞凌的第五代Trench-Stop系列等。各公司的新一代产品和上一代相比均采用更窄的沟槽间距、更薄的芯片厚度。因此，新一代IGBT具有更好的导通压降和关断损耗的折中特性，同时通过器件参数的优化可使器件工作结温更高，并具有更宽的安全工作区等特点。英飞凌第五代产品采用了表面Cu工艺和全新的.XT技术，可使IGBT模块的使用寿命延长10倍，使输出功率提高25%，并且使工作结温达到175℃。

2.重点技术路线图

针对我国当前功率半导体产业发展状况及最近五年电力电子产业发展重点，中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟、中国电器工业协会电力电子分会等共同发布《电力电子器件产业发展蓝皮书》（简称《蓝皮书》）。《蓝皮书》指出，电力电子器件产业的核心是电力电子芯片和封装产品开发及生产，但也离不开半导体和电子材料、关键零部件、制造设备、检测设备等产业的支撑，其发展既需要上游基础材料产业的支持，又需要设备产业的拉动。

《蓝皮书》建议，近期发展目标可制订为：在硅基电力电子器件用8in高阻区熔中照硅单晶圆片，IGBT封装用平板全压接多台架精密陶瓷结构件、氮化铝覆铜板、铝-碳化硅散热基板，6英寸碳化硅单晶及外延材料、6～8英寸硅基GaN外延材料和4～6英寸碳化硅基GaN外延材料、SiC和GaN耐高温（>300℃）封装材料等关键材料方面形成生产能力。2020年发展目标为：在关键材料方面，形成硅基电力电子器件所需全部材料、碳化硅6英寸单晶和厚外延材料、6～8英寸硅基GaN外延材料和4～6英寸碳化硅基GaN外延材料、SiC和GaN电力电子器件所需高温（>300℃）封装材料等的生产能力，并建立相应标准体系和专利保护机制；在关键电力电子器件方面，硅基IGBT、MOSFET、FRD形成系列化产品，综合性能达到国际先进水平，SiC二极管、晶体管及其模块产品和GaN器件产品具有国际竞争力。

3.重点技术知识产权

在专利方面，2001—2010年间，全球电力电子器件行业专利申请量处于稳步增长阶段，每年的全球专利申请量都在1500项左右，器件类型以MOSFET和IGBT为主，申请量占比达到67%。国际上电力电子器件的专利集中于国际大型公司，全球专利申请量居前五位的分别是东芝、NEC、日立、三菱、富士，均是日本公司，此外，GE、英飞凌、西门子、ABB等欧美企业也在该领域申请了大量专利。

（1）全球

IGBT出现时间较晚，但发展速度较快。1980年之前，尚未出现IGBT专利申请，而截止到2012年4月30日，全球IGBT相关专利申请量为7 302项，已占功率半导体器件领域18%。

阶段一：萌芽期（1980—1990年）。IGBT逐步发展起来，但总的申请量还较少，仅占功率半导体器件领域的5%。RCA公司的申请US4364073A（申请日1980年3月25日）被认为是最早的关于IGBT器件的申请，其于1982年12月14日被授权。同年，西门子也提出了申请US4502070A，公开了一种MOS器件与晶闸管器件集成的器件结构。

阶段二：成长期（1991—1999年）。这一阶段中，进入IGBT专利申请的公司越来愈多，主要申请人有三菱、富士、英飞凌、ABB等。1991年专利申请数量仅为36项，而到1999年时，专利申请的数量达到92项。除了涉及元胞结构的专利申请呈增长趋势外，涉及终端结构和模块结构的专利申请也开始大量增加。

阶段三：稳定发展期（2000年至今）。这期间，六代IGBT元胞结构均已出现，并逐渐趋于成熟，较高的技术集中度提高了进入该领域的门槛，使得专利申请的数量维持在比较稳定的水平。出现了逆导型IGBT和逆阻型IGBT，其将二极管和IGBT器件集成在一起，进一步提高了器件的性能，同时为器件的模块化提供了新的途径。

IGBT器件主要由欧美和日本企业所掌握，其中欧洲主要的IGBT企业有英飞凌、ABB、意法半导体，美国主要的IGBT企业有飞兆、国际整流器公司（IR），日本主要的IGBT企业有三菱、富士、东芝、日立等。多边申请量前15位的专利申请中，日本专利申请数量最多，占据了其中的8个席位，其中东芝以298项多边申请位居首位，三菱以及富士分列二三位，其多边申请量分别为265项和247项。IGBT全球主要申请概况见表7。

（2）中国

截止到2012年4月30日，IGBT领域在中国的专利申请量为828项，由中国提出的专利申请为281项，国外提出的专利申请为547项。其中，国外申请以发明专利申请为主，达到99.5%，而中国申请中有30.6%是实用新型专利申请，发明专利申请数量为195项；在发明专利申请中，国外的发明专利申请中30%为PCT申请，对于具有较高质量的重要专利均会采取PCT申请的途径在全球进行布局。中国的发明专利申请中的PCT申请微乎其微，仅有浙江大学在2011年申请的1项PCT申请。多数中国申请的申请时间较晚，其中51.7%都处于“未决”状态。IGBT中国专利申请概况见表8。

四、IGBT技术发展趋势

由于新型功率器件和集成控制器的大量涌现，以及电力电子转换技术的不断进步，在各厂商对新型功率器件的迫切需求下，功率半导体器件正快速地向高温、高频、低功耗、高功率容量，以及智能化、系统化、高度集成方向发展，整体性能更适用于严酷的工业环境。IGBT技术发展趋势是：大电流、高电压、低损耗、高频率、功能集成化、高可靠性。IGBT芯片发展趋势是：薄片工艺、减少热阻。

宽禁带半导体新材料技术的发展，可以实现更低功耗、更大功率容量、更高工作温度的器件，其中SiC成为目前的大功率半导体的主要研究方向，并在单极器件上实现商品化，在IGBT等双极器件的研究上也不断取得进展。目前，IGBT主要受制造工艺及衬底材料的缺陷限制，例如沟道迁移率及可靠性、电流增益较小及高掺杂P型衬底生长等问题，未来随着材料外延技术的发展，SiCIGBT将会实现突破。

随着IGBT芯片技术的不断发展，芯片的最高工作结温与功率密度不断提高，IGBT模块技术也要与之相适应。未来IGBT模块技术还将围绕芯片背面焊接固定与正面电极互连两方面不断改进，有望将无焊接、无引线键合及无衬板/基板等先进封装理念及技术结合起来，将芯片的上下表面均通过烧结或压接来实现固定及电极互连，同时在模块内部集成更多其他功能元件，如温度传感器、电流传感器及驱动电路等，不断提高IGBT模块的功率密度、集成度及智能度。 5NXglKZ1fkSkkm2pVzsvNjvws4UWYux7Pbox4jS9UXhkJdqmUJRom/NP0ZNu7sN0