一文了解IGBT的前世今生

引言

1、何為IGBT？

2、傳統的功率MOSFET

為了等一下便于理解IGBT，我還是先講下Power MOSFET的結構。所謂功率MOS就是要承受大功率，換言之也就是高電壓、大電流。我們結合一般的低壓MOSFET來講解如何改變結構實現高壓、大電流。

1)高電壓：一般的MOSFET如果Drain的高電壓，很容易導致器件擊穿，而一般擊穿通道就是器件的另外三端(S/G/B)，所以要解決高壓問題必須堵死這三端。Gate端只能靠場氧墊在Gate下面隔離與漏的距離(Field-Plate)，而Bulk端的PN結擊穿只能靠降低PN結兩邊的濃度，而最討厭的是到Source端，它則需要一個長長的漂移區來作為漏極串聯電阻分壓，使得電壓都降在漂移區上就可以了。

2) 大電流：一般的MOSFET的溝道長度由Poly CD決定，而功率MOSFET的溝道是靠兩次擴散的結深差來控制，所以只要process穩定就可以做的很小，而且不受光刻精度的限制。而器件的電流取決于W/L，所以如果要獲得大電流，只需要提高W就可以了。

所以上面的Power MOSFET也叫作LDMOS (Lateral Double diffusion MOS)。雖然這樣的器件能夠實現大功率要求，可是它依然有它固有的缺點，由于它的源、柵、漏三端都在表面，所以漏極與源極需要拉的很長，太浪費芯片面積。而且由于器件在表面則器件與器件之間如果要并聯則復雜性增加而且需要隔離。所以后來發展了VDMOS(Vertical DMOS)，把漏極統一放到Wafer背面去了，這樣漏極和源極的漂移區長度完全可以通過背面減薄來控制，而且這樣的結構更利于管子之間的并聯結構實現大功率化。但是在BCD的工藝中還是的利用LDMOS結構，為了與CMOS兼容。

再給大家講一下VDMOS的發展及演變吧，最早的VDMOS就是直接把LDMOS的Drain放到了背面通過背面減薄、Implant、金屬蒸發制作出來的(如下圖)，他就是傳說中的Planar VDMOS，它和傳統的LDMOS比挑戰在于背面工藝。但是它的好處是正面的工藝與傳統CMOS工藝兼容，所以它還是有生命力的。但是這種結構的缺點在于它溝道是橫在表面的，面積利用率還是不夠高。

再后來為了克服Planar DMOS帶來的缺點，所以發展了VMOS和UMOS結構。他們的做法是在Wafer表面挖一個槽，把管子的溝道從原來的Planar變成了沿著槽壁的vertical，果然是個聰明的想法。但是一個餡餅總是會搭配一個陷阱(IC制造總是在不斷trade-off)，這樣的結構天生的缺點是槽太深容易電場集中而導致擊穿，而且工藝難度和成本都很高，且槽的底部必須絕對rouding，否則很容易擊穿或者產生應力的晶格缺陷。但是它的優點是晶體數量比原來多很多，所以可以實現更多的晶體管并聯，比較適合低電壓大電流的application。

還有一個經典的東西叫做CoolMOS，大家自己google學習吧。他應該算是Power MOS撐電壓最高的了，可以到1000V。

3、IGBT的結構和原理

從上面結構以及右邊的等效電路圖看出，它有兩個等效的BJT背靠背連接起來的，它其實就是PNPN的Thyristor(晶閘管)，這個東西不是我們刻意做的，而是結構生成的。我在5個月前有篇文章講Latch-up(http://ic-garden.cn/?p=511)就說了，這樣的結構最要命的東西就是栓鎖(Latch-up)。而控制Latch-up的關鍵就在于控制Rs，只要滿足α1+α2<1就可以了。

另外，這樣的結構好處是提高了電流驅動能力，但壞處是當器件關斷時，溝道很快關斷沒有了多子電流，可是Collector (Drain)端這邊還繼續有少子空穴注入，所以整個器件的電流需要慢慢才能關閉(拖尾電流, tailing current)，影響了器件的關斷時間及工作頻率。這個可是開關器件的大忌啊，所以又引入了一個結構在P+與N-drift之間加入N+buffer層，這一層的作用就是讓器件在關斷的時候，從Collector端注入的空穴迅速在N+ buffer層就被復合掉提高關斷頻率，我們稱這種結構為PT-IGBT (Punch Through型)，而原來沒有帶N+buffer的則為NPT-IGBT。

一般情況下，NPT-IGBT比PT-IGBT的Vce(sat)高，主要因為NPT是正溫度系數(P+襯底較薄空穴注入較少)，而PT是負溫度系數(由于P襯底較厚所以空穴注入較多而導致的三極管基區調制效應明顯)，而Vce(sat)決定了開關損耗(switch loss)，所以如果需要同樣的Vce(sat)，則NPT必須要增加drift厚度，所以Ron就增大了。

4、IGBT的制造工藝：

5、IGBT的新技術：

1) 場截止FS-IGBT：

不管PT還是NPT結構都不能最終滿足無限high power的要求，要做到high power，就必須要降低Vce(sat)，也就是降低Ron。所以必須要降低N-drift厚度，可是這個N-drift厚度又受到截止狀態的電場約束(太薄了容易channel穿通)。所以如果要向降低drift厚度，必須要讓截止電場到溝道前提前降下來。所以需要在P+ injection layer與N-drift之間引入一個N+場截止層(Field Stop, FS)，當IGBT處于關閉狀態，電場在截止層內迅速降低到0，達到終止的目的，所以我們就可以進一步降低N-drift厚度達到降低Ron和Vce了。而且這個結構和N+ buffer結構非常類似，所以它也有PT-IGBT的效果抑制關閉狀態下的tailing電流提高關閉速度。

問題來了，這和PT-IGBT的N+ buffer差在哪里？其實之制作工藝不一樣。PT-IGBT是用兩層EPI做出來的，它是在P+ 襯底上長第一層~10um的N+ buffer，然后再長第二層~100um的N-Drift。這個cost很高??！而相比之下的FS-IGBT呢，是在NPT-IGBT的基礎上直接背面打入高濃度的N+截止層就好了，成本比較低，但是挑戰是更薄的厚度下如何實現不碎片。

2) 陽極短接(SA: Shorted-Anode)：

它的結構是N+集電極間歇插入P+集電極，這樣N+集電極直接接觸場截止層并用作PN二極管的陰極，而P+還繼續做它的FS-IGBT的集電極，它具有增強的電流特性且改變了成本結構，因為不需要共封裝反并聯二極管了。實驗證明，它可以提高飽和電流，降低飽和壓降(~12%)。

6、IGBT的主要I-V特性：

1) 第一代：他就是IGBT的雛形，最簡單的原理結構圖那種，所以他必須要提高N-drift來提高耐壓，所以導通電阻和關斷功耗都比較高，所以沒有普及使用。

2) 第二代：PT-IGBT，由于耗盡層不能穿透N+緩沖層，所以基區電場加強呈梯形分布，所以可以減小芯片厚度從而減小功耗。這主要是西門子公司1990~1995年的產品BSM150GB120DN1("DN1"就是第一代的意思)。它主要在600V上有優勢(類似GTR特性)，到1200V的時候遇到外延厚度大成本高、且可靠性低的問題(摻雜濃度以及厚度的均勻性差)。

3)第三代：NPT-IGBT，不再采用外延技術，而是采用離子注入的技術來生成P+集電極(透明集電極技術)，可以精準的控制結深而控制發射效率盡可能低，增快載流子抽取速度來降低關斷損耗，可以保持基區原有的載流子壽命而不會影響穩態功耗，同時具有正溫度系數特點，所以技術比較成熟在穩態損耗和關斷損耗間取得了很好的折中，所以被廣泛采用。代表公司依然是西門子公司率先采用FZ(區熔法)代替外延的批量產品，代表產品BSM200GB120DN2，VCE>1200V, Vce(sat)=2.1V。

4)第四代：Trench-IGBT，最大的改進是采用Trench結構，是的溝道從表面跑到了垂直面上，所以基區的PIN效應增強，柵極附近載流子濃度增大，從而提高了電導調制效應減小了導通電阻，同時由于溝道不在表面，所以消除了JFET效應，所以柵極密度增加不受限制，而且在第四代IGBT繼續沿用了第三代的集電極P+implant技術同時加入了第二代的PT技術作為場終止層，有效特高耐壓能力等。需要使用雙注入技術，難度較大。這個時候是英飛凌的時代了，Infineon的減薄技術世界第一，它的厚度在1200V的時候可以降低到120um~140um(NPT-IGBT需要200um)，甚至在600V可以降低到70um。

5)第五代：FS-IGBT和第六代的FS-Trench，第五、第六代產品是在IGBT經歷了上述四次技術改進實踐后對各種技術措施的重新組合。第五代IGBT是第四代產品“透明集電區技術”與“電場中止技術”的組合。第六代產品是在第五代基礎上改進了溝槽柵結構，并以新的面貌出現。

目前我國的總體能源利用效率為33%左右，比發達國家低約10個百分點。當前我國節能工作面臨較大壓力。