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1、摘要：絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是由雙極型三極管和絕緣柵型場效應管合成的復合型全控型電壓驅動式功率半導體器件，具有絕緣柵型場效應管的高輸入阻抗及雙極型三極管的低導通壓降、以及驅動電路簡單、安全工作區(qū)寬等優(yōu)點，作為電力電子系統(tǒng)的核心開關器件，IGBT起了不可取代的關鍵的作用。本文主要針對IGBT的發(fā)展歷程和國內外技術現(xiàn)狀、闡述了一些先進的芯片技術和新結構、新材料及模塊封裝技術。描述了IGBT芯片和模塊的發(fā)展方向?！ ?.引言 全球能源危機及氣候變暖的威脅使人們在追求經濟發(fā)展的同時越來越重視綠色環(huán)保，節(jié)能減排。電力電子是節(jié)能減排的王牌技術，從電
2、能產生、電能傳輸、電能使用到電能管理，滲透到工業(yè)、交通、通信、能源等各個領域，發(fā)揮著舉足輕重的作用。電力電子器件是電力電子裝置和系統(tǒng)的“綠色的芯”。目前我國新型的電力電子器件主要代表是IGBT、VDMOS和FRED等高頻器件，而新材料的電力電子器件的主要代表是SiC及GaN器件。本文重點針對IGBT發(fā)展歷史、現(xiàn)狀、新結構、新材料及其新封裝技術做一些闡述?！ ?.IGBT是節(jié)能減排的王牌器件 作為新型高頻大功率電力半導體器件代表的IGBT自1982年問世以來，在國民經濟的各行各業(yè)得到的廣泛的應用：如工業(yè)領域中的電機變頻調速、逆變焊機、各種開關電
3、源等;家用電器中的變頻空調、洗衣機和電冰箱等;交通領域的動車、輕軌和地鐵等;新能源領域中的光伏逆變、風能變流和電動汽車等;還包括醫(yī)學、智能電網、航天航空及軍事領域。僅以汽車引擎系統(tǒng)、電機的調速驅動和節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流器為例，在過去的20年時間內，由于在這些電力電子裝備中采用了IGBT器件，如表1所示，為美國用戶累計節(jié)省了2.7萬億美元，減少了35萬億磅的二氧化碳排放;如表2所示，為全球客戶累計節(jié)省了15.8萬億美元和減少了78萬億磅的二氧化碳排放[1]?？梢姡琁GBT器件對節(jié)能減排做出的巨大貢獻，對世界經濟的可持續(xù)發(fā)展的產生了巨大而深遠的影響?！ ?/p>
4、3.IGBT的發(fā)展歷史及國內外現(xiàn)狀 3.1IGBT的發(fā)展歷史 IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)即絕緣柵雙極晶體管，是一種復合了BJT優(yōu)點的功率MOS型器件，它既具有功率MOSFET的高速開關和電壓驅動特性，又兼具有雙極型晶體管的低飽和壓降特性及承載較大電流能力的特點，且具有高耐壓能力。由于其優(yōu)良的綜合性能，自問世以來，引起了世界許多半導體廠家和研究者的重視，國際上各大半導體公司都投入巨資開發(fā)IGBT器件。自IGBT研制成功以來，隨著工藝技術不斷改進和提高，電性能參數(shù)和可靠性日趨完善。 以英飛凌公司I
5、GBT為例，回顧IGBT芯片發(fā)展軌跡，如圖1所示。 最早出現(xiàn)的是平面柵穿通(PT)型IGBT，這時期的IGBT電壓還比較低(600-1200V左右)，基區(qū)厚度通常在幾十微米到一百多微米，采用的是N型厚外延層。需要采用重金屬摻雜和電子輻照少數(shù)載流子壽命控制技術，以提高器件的開關速度;具有負溫度系數(shù)，因此不利于器件的并聯(lián)使用，而且器件的短路能力較差?！ ∮w凌的第一代IGBT直接從非穿通(NPT)型IGBT開始，在這一時期，IGBT產品不斷向高壓化發(fā)展，采用了電阻率高的FZ(區(qū)熔)單晶替換了昂貴的外延片，使得晶體完整性和均勻性得到充分滿足。在硅片
6、背面用注入和退火的方法可以形成發(fā)射效率較低的P型層。NPT結構的采用使得IGBT幾乎在全電流范圍的工作區(qū)內都是呈現(xiàn)正電阻溫度系數(shù)，便于器件并聯(lián)使用，而且這使NPT的制造成本大幅度降低，約為PT型的3/4?！ ∮w凌第二代IGBT在N型漂移區(qū)引入了電場阻斷(Field-Stop)層。其硅片厚度比NPT型器件薄約1/3，并且它保持了正電阻溫度系數(shù)的優(yōu)點。FS型結構設置的N型緩沖層摻雜濃度比PT結構的N+層低，但比基區(qū)N層濃度高，電場在其中的分布呈斜角梯形。由于較薄的漂移層中的過剩載流子減少，IGBT在關斷時沒有拖尾電流。上述三種類型IGBT在通態(tài)損
7、耗、開關損耗、并聯(lián)應用及短路能力上的比較如表3所示?！ 〉谌鶬GBT是在FS-IGBT的基礎上引入溝槽柵，這是當前國外半導體廠商普遍采用的結構組合，柵極采用了溝槽技術，工作電流從N漂移區(qū)(基區(qū))直接流進垂直溝道而進入源區(qū)，于是，這種IGBT的通態(tài)壓降消除了JFET區(qū)域串聯(lián)電阻的影響，優(yōu)化了器件表面的載流子分布，改善了器件的導通特性和電流密度。 第四代IGBT是在第三代的基礎上，通過優(yōu)化電場阻擋層的厚度和濃度的方法，進一步減小通態(tài)壓降，減小開關損耗，增加開關軟度，擴展器件安全工作區(qū)的面積，而短路電流能力同第三代。 英飛凌各代IGBT產品技術
8、曲線比較如圖2所示，各代產品也針對應用市場不同分為高功率(P)、中功率(E)和低功率(T)。可以看出第四代低功率IGBT(T4)最接近原點，其開關損耗
