IGBT 芯片發(fā)展史

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自 20 世紀(jì) 80 年代發(fā)展至今，IGBT 芯片經(jīng)歷了 7 代技術(shù)及工藝的升級(jí)，從平面穿通型（PT）到微溝槽場(chǎng)截止型，IGBT 從芯片面積、工藝線寬、通態(tài)飽和壓降、關(guān)斷時(shí)間、功率損耗等各項(xiàng)指標(biāo)都進(jìn)行了不斷的優(yōu)化，斷態(tài)電壓從 600V 提高到 7000V，關(guān)斷時(shí)間從 0.5 微秒降低至 0.12 微秒，工藝線寬由 5um 降低至 0.3um。

此外，由于 IGBT 產(chǎn)品對(duì)可靠性和質(zhì)量穩(wěn)定性要求較高，下游客戶認(rèn)證周期較長(zhǎng)，所以產(chǎn)品的生命周期較一般集成電路產(chǎn)品較長(zhǎng)，對(duì)不同代際的 IGBT 產(chǎn)品，由于性能和需求差異導(dǎo)致應(yīng)用領(lǐng)域略有不同，目前市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛的仍是 IGBT 第 4 代工藝產(chǎn)品。

第一代 平面柵+穿通（PT）

出現(xiàn)時(shí)間：1988年

PT 是最初代的 IGBT，使用重?fù)诫s的P+襯底作為起始層，在此之上依次生長(zhǎng)N+ buffer，N- base外延，最后在外延層表面形成元胞結(jié)構(gòu)。工藝復(fù)雜，成本高，飽和壓降呈負(fù)溫度系數(shù)，不利于并聯(lián)，在 80 年代后期逐漸被 NPT 取代，目前 IGBT 產(chǎn)品已不使用 PT 技術(shù)。

第二代 平面柵+非穿通 (NPT)

出現(xiàn)時(shí)間：1997年

NPT與PT不同在于，它使用低摻雜的N-襯底作為起始層，先在N-漂移區(qū)的正面做成MOS結(jié)構(gòu)，然后用研磨減薄工藝從背面減薄到 IGBT 電壓規(guī)格需要的厚度，再?gòu)谋趁嬗秒x子注入工藝形成P+ collector。在截止時(shí)電場(chǎng)沒(méi)有貫穿 N-漂移區(qū)，NPT 不需要載流子壽命控制，但它的缺點(diǎn)在于，如果需要更高的電壓阻斷能力，勢(shì)必需要電阻率更高且更厚的 N-漂移層，這意味著飽和導(dǎo)通電壓 Vce(sat)也會(huì)隨之上升，從而大幅增加器件的損耗與溫升。

第三代 溝槽柵+場(chǎng)截止（Trench+FS）

出現(xiàn)時(shí)間：2001年

溝槽型IGBT中，電子溝道垂直于硅片表面，消除了JFET結(jié)構(gòu)，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(yōu)化。得益于場(chǎng)截止以及溝槽型元胞，IGBT3 的通態(tài)壓降更低，工作結(jié)溫 125℃較 2 代沒(méi)有太大提升， 開(kāi)關(guān)性能優(yōu)化。

第四代 溝槽柵+場(chǎng)截止(Trench+FS)

出現(xiàn)時(shí)間：2007年

IGBT4 是目前使用最廣泛的 IGBT 芯片技術(shù)，電壓包含 600V，1200V，1700V，電流從 10A 到 3600A。4 代較 3 代優(yōu)化了背面結(jié)構(gòu)，漂移區(qū)厚度更薄，背面 P 發(fā)射極及 N buffer 的摻雜濃度及發(fā)射效率都有優(yōu)化。同時(shí)，最高允許工作結(jié)溫從 第 3 代的 125℃提高到了 150℃增加了器件的輸出電流能力。

第五代 溝槽柵+場(chǎng)截止+表面覆銅(Trench+FS)

出現(xiàn)時(shí)間：2013年

IGBT使用厚銅代替了鋁，銅的通流能力及熱容都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋁，因此IGBT5允許更高的工作結(jié)溫及輸出電流。同時(shí)芯片結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，芯片厚度進(jìn)一步減小。

第六代 溝槽柵+場(chǎng)截止=(Trench+FS)

出現(xiàn)時(shí)間：2017年

6 代是 4 代的優(yōu)化，器件結(jié)構(gòu)和 IGBT4 類似，但是優(yōu)化了背面 P+注入，從而得到了新的折衷曲線。IGBT6目前只在單管中有應(yīng)用。

第七代 微溝槽柵+場(chǎng)截止(Micro Pattern Trench)

出現(xiàn)時(shí)間：2018

IGBT7 溝道密度更高，元胞間距也經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，并且優(yōu)化了寄生電容參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn) 5kv/us 下的最佳開(kāi)關(guān)性能。IGBT7 Vce(sat)相比 IGBT4 降低 20%，可實(shí)現(xiàn)最高 175℃的暫態(tài)工作結(jié)溫。

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