主流功率半導體器件IGBT的歷史沿革和最新研究

本文介紹了現代硅基核心功率半導體器件 IGBT 的歷史演變和新型器件結構的研究進展，闡述了該器件在軌道交通、直流輸電和新能源汽車等領域的研發(fā)進展和應用現狀；最后討論了 IGBT 技術面臨的技術挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢。

絕緣柵雙極型晶體管 （Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）作為在金屬氧化物場效應晶體管 （Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor， MOSFET） 和雙極結型晶體管 （Bipolar Junction Transistor，BJT）基礎上發(fā)展起來的一種新型復合功 率器件，具有 MOSFET 輸入、雙極輸出的特點。IGBT 集 BJT 器件通態(tài)壓降小、電流密度大、耐壓高 和功率 MOSFET 驅動功率小、開關速度快、輸入阻 抗高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點于一身。尤其是，IGBT 作 為開關管，在電力系統(tǒng)中起到功率控制的作用，是電力電子系統(tǒng)實現高能效的關鍵器件，特別適用于 600V 以上的高電壓、大電流、高功率電力電子系統(tǒng) 中，包括工業(yè)控制領域中的通訊電源、感應加熱、 電焊機；計算機與網絡通信領域中的不間斷電源 （Uninterruptible Power Supply，UPS）；消費電子中的 微波爐、電磁爐、變頻家電；汽車電子中的汽車逆變 模塊等，涉及到社會生活中的方方面面。?

本文首先介紹了 IGBT 技術的研究現狀，并對 IGBT 不同結構的特點和電學特性做了簡要闡述；最 后列舉了一些最新的研究成果，并探討了 IGBT 的 相關問題，最后對 IGBT 未來的發(fā)展方向做了總結展望。?

1 IGBT 的結構發(fā)展與電學特性

1.1 IGBT 低損耗技術研究現狀?

從 20 世紀 80 年代 IGBT 被首次提出至今，IGBT 器件不斷朝著更低的正向導通壓降、更小的開關損 耗方向發(fā)展；但是，鑒于 IGBT 器件的各種電學參數 之間存在著多種折中關系，故在結構設計時需要做 到統(tǒng)籌兼顧，其中最重要的便是正向導通壓降和關 斷損耗之間的折中關系。?

目前，在改善 IGBT 正向導通壓降和關斷損耗 之間的折中關系方面，主要沿著兩條路線進行：一是 超薄晶圓 IGBT 工藝制備技術，二是 IGBT 表面結構 設計技術。?

在超薄晶圓 IGBT 工藝制備技術方面，IGBT 又 經歷了穿通型 IGBT、非穿通型 IGBT、透明集電極 IGBT、弱穿通型 IGBT/ 軟穿通型 IGBT 和場截止型 IGBT 不同工藝制備技術。它們各自的主要不同 點：①穿通型 IGBT 是最早開發(fā)的 IGBT，其基于較 厚的 P 型襯底上生長 N 型外延制備，然后在外延層 表面通過氧化層生長、淀積、離子注入等多步工藝制 作器件表面結構（見圖 1（a））；該結構由于 P 型襯底 較厚，IGBT 集電極發(fā)射效率較高，關斷時間長、拖尾 電流大、關斷損耗大，且較高的集電極發(fā)射效率導致 器件呈現高溫負阻特性，不易于器件的并聯使用，可靠性低等問題。②非穿通型 IGBT 則是先在 FZ 或 MCZ 等高阻襯底上正面制作 IGBT 表面結構，然后 將襯底從背面研磨減薄至需要的厚度，最后再進行 背面硼離子注入并低溫退火，由于早起的背面減薄 工藝、背面注入及背面退火工藝落后，NPT 型 IGBT 晶圓依然很厚，雖然相比于 PT 型 IGBT，NPT 型 IGBT 的可靠性得到了明顯提升，但依然存在如導通 壓降大、關斷拖尾電流大、關斷損耗大等問題（見圖 1（b））。③隨著 IGBT 背面加工制造工藝的發(fā)展，又 演變出了弱穿通型 IGBT（LPT-IGBT），并采用了激 光退火實現背面硼離子的激活，晶圓厚度進一步減 薄，明顯改善了器件的關斷損耗與導通壓降的折中 關系，并實現了 IGBT 導通壓降正溫度系數，提高了 IGBT 的可靠性（見圖 1（c））。④2000 年，場截止型 IGBT（Field Stop IGBT，FS-IGBT）被首次提出，其晶 圓厚度進一步減薄，并在背面注入工藝中采用了高 能離子注入工藝制備了較高濃度 N 型緩沖層，使得 高壓狀態(tài)下 IGBT 內部的電場強度在緩沖層中快速 下降到零，同時降低了 IGBT 集電極的發(fā)射效率，大幅減小 IGBT 的晶圓厚度，極大程度上改善了 IGBT 拖尾電流現象，同時明顯降低了 IGBT 的正向導通 壓降，至今為止，FS-IGBT 依然是最重要的技術手 段，并不斷朝著更薄晶圓的方向發(fā)展（見圖 1（d））。⑤近年來，各種先進的 IGBT 結構及加工制造技術 的發(fā)展都是基于場截止結構設計實現的，目前 1200V 電壓等級 FS-IGBT 芯片產品的厚度可以達 到 115μm。

在表面結構設計技術方面，主要通過不斷改善 IGBT 表面結構，提高 IGBT 在正向導通時發(fā)射極一 側的載流子濃度來改善正向導通壓降與關斷損耗的 折中關系。主要研究有：?

①1993 年，日本的 M. Kitagawa 首次研究了 IGBT 中的載流子注入增強效應（IE 效應），并提出交替浮 空 P- 基極（P-base）結構，使浮空 P-base 下方的空 穴更難流出，從而增大了該區(qū)域的載流子濃度，改善 IGBT 導通損耗和關斷損耗折中關系，其 IEGT 結構 如圖 2（a）所示。到 2007 年，日本的 Y. Onozawa 提出 點注入 P-base 結構，實現 IE 效應的同時，增加溝道 密度，實現了 IGBT 導通壓降為 1.6V（300A/cm2?）時， 關斷損耗達到 38mJ/cm2?。

②2008 年，三菱公司提出的載流子貯存型 IGBT（CSTBT）結構，通過在 IGBT P-base 下方引入 一個高濃度的 N 型區(qū)域，在 N 型漂移區(qū)和 N+ 載流 子貯存層結處形成了一個擴散電勢，該擴散電勢會 在器件導通時產生一個空穴勢壘，用來阻擋 P-base 對空穴的抽取，使得器件導通時空穴在 P-base 下方 形成積累，提高器件正向導通時發(fā)射極一側的載流 子濃度，增強了器件的電導調制效應，降低了器件的 正向導通壓降，其結構如圖 2（b）所示。該結構實現 了 IGBT 導通壓降為 1.7V（300A/cm2?）時，關斷損耗 達到 36mJ/cm2?。

③2012 年，日本的 M. Sumitomo 提出的部分窄 臺面（PNM）-IGBT（Partially Narrow Mesa IGBT）結 構，如圖 2（c）所示。通過將 IGBT 溝槽柵底部局部做 窄，使空穴在柵槽下方集聚而不易從發(fā)射極流走，提 高器件正向導通時發(fā)射極一側的載流子濃度，從而 增強器件的電導調制效應，實現了 IGBT 導通壓降 為 1.6V（300A/cm2?）時，關斷損耗達到 27mJ/cm2?。

④ 2015 年 ， 歐 洲 的 M. Antoniou 首 次 提 出 Trench 底部 P- 環(huán)形（P-ring）注入的 IGBT 結構，如 圖 2（d）所示該結構在保證器件耐壓不變的條件下， 提高 CS 層摻雜濃度，進一步提高發(fā)射極一側載流 子濃度，實現了 IGBT 導通壓降為 1.5V（300A/cm2?） 時，關斷損耗達到 28mJ/cm2?。2018 年，英飛凌在 ISPSD 會議中首次展示其新一代 1200V IGBT 產品 性能，通過窄臺面間距（Narrow Mesa Pitch）工藝技術 和 IEGT 結構，實現了 1.4V 正向導通壓降，同時關 斷損耗達到 12mJ/cm2?。

如圖 3 所示，IGBT 器件發(fā)展至今，在改善器件 的導通壓降和開關損耗折中關系方面，國內外已經 提出了很多種結構，通過提高 IGBT 發(fā)射極一側的 載流子濃度來改善導通壓降與關斷損耗折中關系， 最 新 的 低 損 耗 技 術 已 實 現 導 通 壓 降 為 1.5V （300A/cm2）時，關斷損耗僅有 28mJ/cm2?。

1.2 IGBT 低 EMI 噪聲技術研究現狀

IGBT 在系統(tǒng)應用中時，由于高頻開關會引入較 大的電磁干擾（EMI）噪聲。早期階段的 IGBT 器件， 尚未引入 IE 效應，IGBT 導通壓降大、關斷損耗大。此類 IGBT 在開啟過程中，可以通過調節(jié)測試電路 中柵極電阻 Rg 的大小，將其電壓上升速率（dv/dt） 的值控制在一定范圍內；而隨著 IGBT 器件的發(fā)展， 基于 IE 效應的 IGBT 器件雖然在單管導通損耗、開 關損耗及短路能力上獲得了很大的提升，但是其開 啟特性變差，在小電流開啟條件下，開啟瞬間柵壓會 出現大幅抬升，一般稱之為柵極電壓 VGE 過沖，從 而導致開啟 dv/dt 不受柵極電阻 Rg 控制，使得 IGBT 器件開關電路中的續(xù)流二極管的反向恢復電流上升 速率（di/dt）加大且不受柵電阻控制，形成動態(tài)穿通， 造成電路中電流電壓振蕩，導致系統(tǒng)應用中 EMI 噪 聲較大。一般而言，系統(tǒng)中往往會采取增大柵極電 阻，降低 IGBT 開關 dv/dt 和 di/dt 的方法降低 EMI 噪聲。然而，研究發(fā)現，基于 IE 效應開發(fā)的 IGBT 在 系統(tǒng)應用中很難通過增大 Rg 的方法減小 EMI 噪聲。如圖 4 所示，這是由于 IGBT 器件在不同的柵極 電阻 Rg 測試條件下，給系統(tǒng)造成的 EMI 噪聲大小 的測試結果。其中，圖 4（a）是采用傳統(tǒng) IGBT 的系統(tǒng) 中 EMI 噪聲隨柵極電阻 Rg 變化關系圖，可以看出 所測得的系統(tǒng)噪聲是隨著柵極電阻 Rg 的增大而減 小的，當柵極電阻 Rg 較大時，系統(tǒng) EMI 噪聲明顯減 ??；圖 4（b）是采用 IEGT 的系統(tǒng)中 EMI 噪聲隨柵極 電阻 Rg 變化關系圖，可以看出，系統(tǒng) EMI 噪聲基本不隨柵電阻的增大而減小，即增大柵電阻大幅增加 了 IGBT 在系統(tǒng)應用中的開關損耗，但 IGBT 器件給 系統(tǒng)帶來的噪聲并沒有明顯減小。

上述問題是由最早提出 IE 效應的日本東芝公 司 Omura 等人發(fā)現的，他們對 IGBT 器件在高壓、大 電流條件下的電容特性進行了研究和建模，發(fā)現該 條件下 IGBT 的柵極電容呈現負微分電容的現象， 而在 IGBT 器件開啟瞬間、關斷瞬間、短路過程均會 出現高壓大電流的現象，嚴重影響器件的 EMI 噪聲 特性和可靠性。IGBT 負微分電容特性機理如下：一 是當 IGBT 器件處于關斷狀態(tài)時，集電極 - 發(fā)射極 電壓 VCE 較大，IGBT 柵極下方電勢明顯高于柵極 電勢，在 IGBT 柵極下方，N- 漂移區(qū)表面形成有空 穴反型層；二是當 IGBT 器件開啟瞬間，電流電流通 過溝道、漂移區(qū)向 IGBT 集電極漂移，集電極 PN 結 開啟，空穴從 IGBT 的集電極注入到 N- 漂移區(qū)，并 在較高的縱向電場作用下，以飽和速度向器件表面 漂移，這部分空穴達到器件表面后，無法及時通過 IGBT 發(fā)射極流出，導致 IGBT 柵極下方空穴濃度迅 速增加（如圖 5 所示）。應該看到，這些帶正電的空穴 會在柵上感應出相應的負電荷，相當于在 IGBT 器 件柵極形成一個由集電極到柵極的反向位移電流給 柵電容充電，抵消了原本由外部驅動電路給 IGBT柵極充電的部分電流，因此，器件表現出隨著柵極電 壓 VGE 的升高，總的柵電荷 QG 反而降低的特性，等 同于此處存在一個負電容的效果。三是 IGBT 負微 分電容導致 IGBT 的時間常數 RGCG 也為負數，使 得器件在高壓大電流狀態(tài)下的 dv/dt 無法收斂，振蕩 變得越來越嚴重，并進一步導致 IGBT 器件集電極 電流電壓振蕩、芯片體內的電流不均勻等嚴重的問 題?；谪撊堇碚摚毡緰|芝公司的 Omura 等人提 出平面柵 IGBT 器件可以通過改進柵極結構抑制負 容，如圖 6 所示，該 IGBT 的柵極結構為階梯柵氧結 構，增大了 N- 漂移區(qū)表面柵極下方的氧化層厚度， 減小由集電極向 IGBT 柵極的反向位移電流，從而 抑制負容對器件性能的影響。?

針對 IGBT 開啟 EMI 噪聲不受柵極電阻控制的 問題，富士公司研究人員又進一步研究了其內部產 生機理，他們指出 IGBT 在系統(tǒng)應用中的 EMI 噪聲 不僅與器件的負微分電容特性相關，更多是由于 IGBT 開啟瞬間柵極下方表面電勢的快速抬升導致， 而 IGBT 柵下方電勢的抬升，與 IGBT 器件內流向柵 極該位置的空穴數量直接相關，基于該理論，研究人 員對 IGBT 器件的結構又做出了以下改進。日本豐田公司的 Yoshiaki 等研究人員在文獻中 提出了如圖 7 所示的結構，在 IEGT 的虛設（Dummy）區(qū)域區(qū)域采用了深 P 阱結構，并在該深 P 阱結 構表面間隔打孔連接到 IGBT 器件的發(fā)射極，形成 器件表面薄膜壓力傳感電阻（RFP），使得空穴能夠從 此路徑通過，在小電流條件下，空穴的主要流通路徑 是通過深 P 阱流向發(fā)射極，而在大電流條件下，由于 RFP 的存在，空穴電流主要通過 P-base 流向發(fā)射極， 僅僅小幅度降低了 IGBT 在大電流下的正向導通壓 降，就明顯改善了 IGBT 小電流 EMI 噪聲特性。

日本的 Y.Onozawa 等研究人員在文獻中提出了 一種不帶浮空 P-layer 區(qū)的結構，如圖 8 所示，該結 構將 P 型基區(qū)點注入的形式間隔分布在 IGBT 溝槽 內部，通過改變 IGBT 器件在開啟瞬間的電流路徑， 減小 IGBT 表面橫向漂移電流來改善 IGBT 小電流 下的 EMI 噪聲特性，但是這種方法會明顯降低器件 的擊穿電壓和短路能力。

同時，它們進一步提出來屏蔽柵 IGBT 結構，如 圖 9 所示，通過在 IGBT 溝槽柵靠近浮空 p-base 區(qū) 域添加發(fā)射極溝槽柵結構，屏蔽由浮空 p-base 區(qū)域 的空穴電流對柵極電勢的影響，進一步改善了 IGBT 的 EMI 噪聲特性，但這種結構工藝較為復雜，增大 了 IGBT 的生產成本。?

目前有關改進 IGBT 器件 EMI 噪聲問題方面， 國內外持續(xù)在對 IGBT 在系統(tǒng)中的 EMI 噪聲產生 機理進行深入研究，并根據各個階段性理論研究成 果提出了多種新結構，降低了 IGBT 在系統(tǒng)應用中 的 EMI 噪聲。

1.3 IGBT 高雪崩擊穿可靠性技術研究?

近年來，器件可靠性得到越來越多的關注，尤其 是在感性負載開關電路中的雪崩擊穿可靠性。對于 IGBT 的雪崩擊穿可靠性而言，很多研究重點分析了 IGBT 在硬開關條件下的雪崩擊穿可靠性以及相關 失效機理，研究成果表明大多數 IGBT 器件的失效 是由于能量過大導致局部過熱，進而導致器件毀滅 性的失效。目前，越來越多的產品規(guī)格書已經將這樣 一個臨界能量作為 IGBT 器件雪崩擊穿可靠性的一 個指標。IGBT 體內存在寄生 NPNP 晶閘管，在 IGBT 雪崩擊穿可靠性的測試，當集電極電壓高于其擊穿 電壓時，器件發(fā)生雪崩擊穿，其體內產生大量的電子 空穴對，在電場的作用下，電子向集電極漂移形成 IGBT 體內寄生 PNP 三極管的基極電流，IGBT 的集 電極向漂移區(qū)內注入大量的空穴電流，這部分空穴 電流通過 P-base 區(qū)流向發(fā)射極。當這部分電流較大 時，容易使表面 N+ 與 P-Base 之間的 PN 結開啟，使 IGBT 發(fā)生閂鎖效應失效。IGBT 的雪崩擊穿可靠性研 究初期，通常認為是由于其內部寄生的晶閘管開啟 導致的，尤其高溫條件下，寄生晶閘管更容易開啟。?

然而，在近幾年有學者進一步研究發(fā)現，IGBT 自身存在一定的擊穿負阻特性，是 IGBT 器件雪崩 擊穿可靠性差的主要原因。2011 年，歐洲的 Ettore Napoli 通過熱圖像鎖定技術測試方法，對 IGBT 在非 鉗位感性開關系統(tǒng)中的擊穿過程進行熱分布測試， 發(fā)現 IGBT 擊穿過程中不斷地會有電流集中并轉移 的特性，電流的不均勻分布極大程度上降低了芯片 的雪崩擊穿可靠性，如圖 10 所示。

在 2013 年，歐洲 ST 半導體的 Paolo Spirito 等人 研究了在非嵌位感性負載開關過程（Unclamped Inductive Switching，UIS）測試過程中 IGBT 不同的失 效機制，并深入研究了 UIS 測試中的電流限，首次提 出了 IGBT 的負阻特性對雪崩擊穿可靠性的影響， 指出當 IGBT 的雪崩擊穿電流較大時，器件的擊穿 電壓隨電流的增大而減小，即 IGBT 呈現擊穿負阻 特性。這種現象會導致 IGBT 芯片在擊穿時，由于工 藝波動導致的元胞之間微小的擊穿電壓的差異被不 斷放大，出現電流集中的現象。這種電流集中現象導 致IGBT 器件局部過熱，電流密度十分大，最終導致 閂鎖效應的發(fā)生，器件破壞性失效。圖 11 表明了均 勻擊穿電流與電流集中時對 IGBT 擊穿 I-V 特性曲 線的不同影響，有纖維電流出現的擊穿 I-V 特性曲 線（虛線）比均勻電流的擊穿 I-V 特性曲線（實線）在 更低的電流下發(fā)生閂鎖。

2014 年，研究人員進一步深入研究了 IGBT 的擊穿 I-V 曲線中不同階段的形成機理，如圖 12 所 示。從圖中可以看出，IGBT 的擊穿 I-V 曲線與參考 理想二極管的擊穿 I-V 曲線不同，IGBT 的擊穿 I-V 曲線中存在兩個明顯的負阻區(qū)。當電流密度較小時， 載流子濃度遠低于漂移區(qū)的摻雜濃度，對漂移區(qū)的電 場分布幾乎沒有影響；當電流密度較大時，載流子濃 度達到漂移區(qū)摻雜濃度的相近的水平，集電極注入的 載流子以及碰撞電離產生的載流子會改變 IGBT 漂 移區(qū)內的凈正電中心濃度，使得漂移區(qū)的電場分布改 變，動態(tài)擊穿電壓改變，器件的擊穿魯棒性變化。

Paolo Spirito 等人進一步通過優(yōu)化 IGBT 集電極 N 型緩沖層和 P 型集電極的厚度與摻雜濃度來調節(jié) IGBT 背面集電極的注入效率 αPNP，從而改善了 IGBT 的擊穿負阻特性。如圖 13 所示，IGBT 擊穿 I-V 曲線的負阻特性隨著垂直寄生 PNP 三極管的 αPNP 的減小而改善，甚至當 αPNP<0.5 之后可以 完全消除負阻分支，從而有效提高了 IGBT 的雪崩 擊穿可靠性，但這樣會造成 IGBT 導通壓降的顯著增加。?

在 2014 年，Paolo Spirito 等人進一步指出 IGBT 中溝槽柵密度增大時，器件的雪崩擊穿負阻特性變 得更加明顯，器件的雪崩擊穿可靠性進一步降低，并 提出采用低溝槽柵密度的元胞結構以改善器件的擊 穿魯棒性，如圖 14 所示。?

在 2015 年，Paolo Spirito 等人最新提出了在考 慮熱效應后 IGBT 體內擊穿引起的纖維電流會發(fā)生 轉移，纖維電流造成的電流集中點會導致該區(qū)域溫 度迅速上升，而 IGBT 的擊穿電壓具有正溫度特性， 在溫升的作用下，該區(qū)域擊穿電壓上升到 IGBT 低 溫時的擊穿電壓時，纖維電流將會發(fā)生轉移，避免了 在最初的纖維電流產生點擊穿失效，如圖 15 所示。從圖中可以看出，FS-IGBT 相比于 PT-IGBT 更不容 易發(fā)生失效，因為 50℃的溫升使得 FS-IGBT 的擊穿 電壓高于常溫擊穿電壓，進而導致纖維電流位置轉 移，但對于 PT-IGBT 而言，50℃的溫升時 IGBT 擊穿 電壓依然較低，纖維電流不會發(fā)生轉移，導致器件更 容易失效。

綜上所述，目前 IGBT 的雪崩擊穿可靠性嚴重 受限于其擊穿負阻特性，且現有的改善擊穿負阻可 靠性的方法，如增大 N 型緩沖層濃度、厚度，減小 P型集電極濃度厚度等，會增大 IGBT 的正向導通壓 降，并且尚無論文通過結構設計的方法突破上述折 中關系，IGBT 雪崩耐量可靠性研究還處于起步階 段，因此對 IGBT 雪崩耐量可靠性還需要更深入的 研究和改善。

2 IGBT 技術應用與進展

2.1 軌道交通領域?

21 世紀，中國鐵路進入高速重載時代，急需開發(fā) 高壓 IGBT 以支撐交流傳動技術的發(fā)展。國內 IGBT 產業(yè)化主要有“引進芯片 + 自主封裝”和“并購→消 化吸收→再創(chuàng)新”2 種技術路線，并且 2 種路線都獲 得了發(fā)展。牽引級高壓 IGBT 模塊是基于平面柵“U 型”元胞、發(fā)射極注入增強和平面柵軟穿通結構特征 而設計開發(fā)的第 4 代“雙擴散 MOS（DMOS）+IGBT” 和配套的快恢復二極管（Fast Recovery Diodes，FRD） 芯片，基于該芯片研制了 1500A/3300V 高功率密度 IGBT 模塊，并在“和諧號”大功率機車和地鐵牽引變 流器中獲得應用和批量推廣。2014 年，自主設計并 建成全球首條直徑 200mm 高壓 IGBT 芯片生產線， 開發(fā)了以高能質子注入和激光退火為特征的低溫緩沖層技術和成套先進工藝，實現了高壓 IGBT 芯片 制造從直徑 150mm 到直徑 200mm 晶圓工藝的技術 跨越?；?200mm 晶圓工藝技術平臺，開發(fā)了 1500A/3300V，750A/6500V 高性能 IGBT 模塊，總體 性能達到國外同類產品先進水平，滿足了“復興號” 高速鐵路應用需求，現場失效率優(yōu)于國外同類產品。中國鐵道電氣化 60 多年來，從交直傳動到交流傳 動，從普速輕載到高速重載，國產功率半導體器件 （如圖 16 所示）起到了巨大推動作用，高壓 IGBT 在 中國高鐵的應用正逐步展開，并將快速擴大應用。

2.2 高壓直流輸電?

隨著新能源的大規(guī)模開發(fā)利用和接入并網，以 及柔性直流輸電技術的發(fā)展，行業(yè)對具有自主關斷 能力的大功率半導體器件提出了迫切需求?；陔?網系統(tǒng)應用特點和對產品參數均勻性的要求，通過 引入 JFET 區(qū)注入、空穴阻擋層（Hole Barrier）和臺面 柵（Terrace Gate）等元胞優(yōu)化技術，實現改進型 IGBT 元胞設計，提升了 IGBT 芯片整體性能，同時基于此 設 計 開 發(fā) 了 智 能 電 網 用 焊 接 型 高 功 率 密 度 1500A/3300VIGBT 模塊，其芯片結構和模塊開關特 性如圖 17 所示，該產品已在廈門柔直和渝鄂背靠背 等工程中獲得成功。隨著電力系統(tǒng)的電力電子柔性 化進程加快，焊接型 IGBT 模塊在容量、效率、電路 拓撲和可靠性等方面都難以滿足應用需求，而壓接型IGBT 作為一種容量更大、更易串聯應用的新型封 裝形式，是高壓柔性直流輸配電技術的關鍵核心器 件?；趹眯枨螅瑢Υ笠?guī)模 IGBT 芯片壓接封裝過 程中面臨的“機 - 電 - 熱”強耦合條件下的芯片均 流原理我國已有了深入研究：①首次完成了大尺寸 IGBT 芯片設計研究，及其力學增強、方形陶瓷管殼 和壓接封裝等關鍵技術研究；②首次提出了 IGBT 低時延柵極互連與元胞柵電阻結構，完成了 IGBT 元胞開關同步與均流控制技術研究，開發(fā)了全球最 大容量的 600A/4500V IGBT 芯片；③提出了 IGBT 大芯片低溫銀燒結工藝與芯片增強技術，解決了高 壓 IGBT 壓接封裝過程中的均壓和均流等技術難 題，研制了低損耗和高關斷能力的 3600A/4500V 大 容量壓接型 IGBT, 其元胞結構、芯片和模塊如圖 18 所示，產品在張北±500kV 直流電網和烏東德± 800kV 特高壓直流輸電工程獲得成功應用與推廣。

2.3 汽車電動化領域?

車規(guī)級功率器件要適應汽車應用場景下高溫、 高濕和強振動的運行環(huán)境和復雜電磁環(huán)境下頻繁啟 停、功率循環(huán)與溫度沖擊的應用工況，使得電動汽車 更高效、更節(jié)能地完成能量的傳遞與輸出。電動汽車 性能的不斷提升對功率器件提出了更高的要求，主 要體現在芯片損耗、模塊電流輸出能力和溫度循環(huán) 壽命 3 個方面，低損耗與整車電耗、續(xù)駛里程強相 關，電流輸出能力關系到電機輸出功率，而溫度循環(huán) 壽命代表功率器件適應不同環(huán)境的可靠性與使用壽 命。牽引逆變器的功率密度直接決定了電動汽車的 動力輸出能力，由于牽引逆變器體積和母線電壓等 級的限制，當前實現高功率密度均著眼于逆變器中 功率半導體器件電流密度的提高。此外，電動汽車續(xù) 航能力的提升一方面需通過功率半導體器件的低功 率損耗優(yōu)化技術來提高牽引逆變器的能量轉換效 率；另一方面，通過提高動力電池的電壓等級實現充 電效率的提升，這對功率半導體器件耐壓等級提出 了更高要求；同時，高溫漏電流會使芯片熱可靠性急 劇下降，甚至導致功率半導體器件損壞，引發(fā)逆變器 二次燒毀；而保障高溫工況下牽引逆變器的安全可 靠性運行一方面要求功率半導體模塊封裝具有良好 的散熱能力；另一方面，要求通過功率半導體結構優(yōu) 化技術，提高其耐高溫能力。最后，電動汽車直接關 系人身安全，牽引逆變器的安全、可靠運行離不開傳 感器對其運行狀態(tài)的精準監(jiān)控以及輔助電路的保護 作用，將傳感器或驅動 / 緩沖電路集成在功率半導 體器件上或功率模塊內部，有利于進一步提高牽引 逆變器的功率密度。?

目前，可用于車規(guī)級功率模塊的功率半導體器 件，包括碳化硅基功率金屬氧化物半導體場效應晶 體管和硅基 IGBT。雖然碳化硅（Silicon Carbide，SiC） 器件具有大功率、耐高溫、損耗低及開關速度快等優(yōu) 勢；但其成本高，動態(tài)特性對封裝雜感參數敏感，缺 少長期運行可靠性評估，并且微管缺陷（Micropipe Defect，MPD）、Bazel 平面缺陷 （Bazel Plane Defect， BPD）等主要材料問題和柵極氧化層的工藝可靠性有待解決。同時，由于當前工藝限制，單個碳化硅芯 片面積小，載流能力遠低于硅基 IGBT 芯片，因此需 更多芯片并聯使用，而實現多個芯片間的均流以及 低熱耦合是碳化硅逆變器設計中亟需解決的問題。此外，傳統(tǒng)的封裝形式雜散電感大，封裝材料耐溫 低，限制了碳化硅器件發(fā)揮其開關速度快和耐溫高 的優(yōu)勢。以上因素均在一定程度上制約了碳化硅器 件在電動汽車領域的廣泛應用。目前，市面上特斯拉 的部分車型中已使用碳化硅器件，減輕了整車重量， 且增加了續(xù)航里程。因此，可以預見，碳化硅器件今 后將會和硅基器件長期并存互補，共同成為電動汽 車領域的主流選擇，推動牽引逆變器向高功率密度、 高效率等方向前進。鑒于車規(guī)級功率模塊的應用場 景需求分析，硅基 IGBT 芯片仍是電動汽車逆變器 應用上的主流功率器件，且極具發(fā)展?jié)摿?，其芯片?術演進歷程如圖 19 所示。

3 機遇挑戰(zhàn)與前景展望? ?

由于資源的消耗與環(huán)境的巨大壓力，節(jié)能減排 和綠色低碳成為普遍的發(fā)展共識。功率半導體器件 朝著提升功率密度、提高開關速度、降低工作損耗、 提高工作溫度和增強可靠性等方向發(fā)展和創(chuàng)新，在 很大程度上滿足了社會各行業(yè)多樣化的應用需求；但同時也面臨著器件結構精細化、功能集成與智能 化、熱管理與可靠性、新型材料與工藝等方面的技術 挑戰(zhàn)。目前面臨的挑戰(zhàn)有以下幾個方面：

1）溝槽柵精細化的進一步研究。目前，英飛凌 公司 EDT2 IGBT 的臺面寬度最小，約為 600nm，但 仍遠大于理論極限水平 20~40nm。改進溝槽制造工 藝，例如深亞微米級的曝光技術、化學機械拋光、快 速熱退火處理等，進一步減小槽間臺面寬度始終是 提升芯片電流密度的關鍵。?

2）IGBT 芯片高壓 / 高溫優(yōu)化技術的研究。電動 汽車動力電池電壓等級在主流 400V 的基礎上呈現 上升趨勢，目前已有保時捷、雪佛蘭、菲斯克等多個 汽車廠家都已在開發(fā)采用 800V 動力電池的電動汽 車，其中保時捷的 Taycan 系列已經進入市場；動力 電池電壓等級升高對電動汽車 IGBT 芯片的耐壓能 力提出了更高的要求。提高 IGBT 芯片工作結溫是 提高功率密度，確保電動汽車逆變器可靠運行的關 鍵。一方面，通過改進緩沖層摻雜方式，來減小高溫 漏電流；另一方面，需要解決電壓回跳問題以推動逆 導型 IGBT （Reverse Conducting IGBT，RC-IGBT）芯 片在電動汽車領域的廣泛使用。

3）多種優(yōu)化技術組合的探索。IGBT 芯片特性 之間相互影響，例如電流密度、開關損耗和短路耐量 間存在著復雜的制約關系，僅使用單一技術對 IGBT 芯片性能進行改進會帶來新的問題。溝槽精細化、超 級結、逆導技術、薄片工藝和終端結構技術的結合為 高性能 IGBT 芯片實現多種特性的折衷提供了更多 的可能。

4）功率半導體技術面臨著功能集成和智能化 的挑戰(zhàn)，因此，芯片和封裝層面的傳感和監(jiān)測技術成 為主要的技術發(fā)展趨勢之一。通過 IGBT 與 FRD 單 芯片集成，IGBT 封裝更加簡單，運行過程中結溫波 動更小有利于提高應用可靠性；通過在 IGBT 芯片 上集成電流和溫度傳感器，可以把芯片結溫和電流 等信號實時傳送到驅動保護單元，監(jiān)測芯片本身的 健康狀態(tài)和壽命，充分發(fā)揮芯片潛能，使 IGBT 應用 系統(tǒng)更加智能化。

4 結語? ?

本文詳細介紹了主流功率半導體器件 IGBT 的 歷史沿革和最新研究進展，闡述了該器件的技術和 應用現狀和面臨的技術挑戰(zhàn)和未來發(fā)展趨勢。在新 型器件結構、先進制造工藝、寬禁帶材料及器件等研 究成果的支撐下，基于應用需求，全產業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新，半導體器件正朝著更高電流密度、更高工作溫度、 更高工作頻率、更低損耗和更低成本的方向快速迭 代。作為核心功率半導體器件，IGBT 健康發(fā)展有力地 支撐了 21 世紀人類面臨的新一輪電氣化革命，為全 球環(huán)境和資源保護、碳達峰和碳中和等人類共同目標 提供了電力電子技術基礎和器件的全面解決方案。

編輯：黃飛

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