摘要

本文介紹了現(xiàn)代硅基核心功率半導(dǎo)體器件 IGBT 的歷史演變和新型器件結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展，闡述了該器件在軌道交通、直流輸電和新能源汽車(chē)等領(lǐng)域的研發(fā)進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀；最后討論了 IGBT 技術(shù)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢(shì)。

0 引言

絕緣柵雙極型晶體管 （Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）作為在金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor， MOSFET） 和雙極結(jié)型晶體管 （Bipolar Junction Transistor，BJT）基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型復(fù)合功 率器件，具有 MOSFET 輸入、雙極輸出的特點(diǎn)。IGBT 集 BJT 器件通態(tài)壓降小、電流密度大、耐壓高 和功率 MOSFET 驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快、輸入阻 抗高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)于一身。尤其是，IGBT 作 為開(kāi)關(guān)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(shí)現(xiàn)高能效的關(guān)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(lǐng)域中的通訊電源、感應(yīng)加熱、 電焊機(jī)；計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域中的不間斷電源 （Uninterruptible Power Supply，UPS）；消費(fèi)電子中的 微波爐、電磁爐、變頻家電；汽車(chē)電子中的汽車(chē)逆變 模塊等，涉及到社會(huì)生活中的方方面面。

本文首先介紹了 IGBT 技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并對(duì) IGBT 不同結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和電學(xué)特性做了簡(jiǎn)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(guān)問(wèn)題，最后對(duì) IGBT 未來(lái)的發(fā)展方向做了總結(jié)展望。

1 IGBT 的結(jié)構(gòu)發(fā)展與電學(xué)特性

1.1 IGBT 低損耗技術(shù)研究現(xiàn)狀

從 20 世紀(jì) 80 年代 IGBT 被首次提出至今，IGBT 器件不斷朝著更低的正向?qū)▔航怠⒏〉拈_(kāi)關(guān)損 耗方向發(fā)展；但是，鑒于 IGBT 器件的各種電學(xué)參數(shù) 之間存在著多種折中關(guān)系，故在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要做 到統(tǒng)籌兼顧，其中最重要的便是正向?qū)▔航岛完P(guān) 斷損耗之間的折中關(guān)系。

目前，在改善 IGBT 正向?qū)▔航岛完P(guān)斷損耗 之間的折中關(guān)系方面，主要沿著兩條路線進(jìn)行：一是 超薄晶圓 IGBT 工藝制備技術(shù)，二是 IGBT 表面結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)技術(shù)。

在超薄晶圓 IGBT 工藝制備技術(shù)方面，IGBT 又 經(jīng)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(chǎng)截止型 IGBT 不同工藝制備技術(shù)。它們各自的主要不同 點(diǎn)：①穿通型 IGBT 是最早開(kāi)發(fā)的 IGBT，其基于較 厚的 P 型襯底上生長(zhǎng) N 型外延制備，然后在外延層 表面通過(guò)氧化層生長(zhǎng)、淀積、離子注入等多步工藝制 作器件表面結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖 1（a））；該結(jié)構(gòu)由于 P 型襯底 較厚，IGBT 集電極發(fā)射效率較高，關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)、拖尾 電流大、關(guān)斷損耗大，且較高的集電極發(fā)射效率導(dǎo)致 器件呈現(xiàn)高溫負(fù)阻特性，不易于器件的并聯(lián)使用，可靠性低等問(wèn)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(jié)構(gòu)，然后 將襯底從背面研磨減薄至需要的厚度，最后再進(jìn)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(dǎo)通 壓降大、關(guān)斷拖尾電流大、關(guān)斷損耗大等問(wèn)題（見(jiàn)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(shí)現(xiàn)背面硼離子的激活，晶圓厚度進(jìn)一步減 薄，明顯改善了器件的關(guān)斷損耗與導(dǎo)通壓降的折中 關(guān)系，并實(shí)現(xiàn)了 IGBT 導(dǎo)通壓降正溫度系數(shù)，提高了 IGBT 的可靠性（見(jiàn)圖 1（c））。④2000 年，場(chǎng)截止型 IGBT（Field Stop IGBT，F(xiàn)S-IGBT）被首次提出，其晶 圓厚度進(jìn)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(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度在緩沖層中快速 下降到零，同時(shí)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(xiàn)象，同時(shí)明顯降低了 IGBT 的正向?qū)?壓降，至今為止，F(xiàn)S-IGBT 依然是最重要的技術(shù)手 段，并不斷朝著更薄晶圓的方向發(fā)展（見(jiàn)圖 1（d））。⑤近年來(lái)，各種先進(jìn)的 IGBT 結(jié)構(gòu)及加工制造技術(shù) 的發(fā)展都是基于場(chǎng)截止結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，目前 1200V 電壓等級(jí) FS-IGBT 芯片產(chǎn)品的厚度可以達(dá) 到 115μm。

在表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)方面，主要通過(guò)不斷改善 IGBT 表面結(jié)構(gòu)，提高 IGBT 在正向?qū)〞r(shí)發(fā)射極一 側(cè)的載流子濃度來(lái)改善正向?qū)▔航蹬c關(guān)斷損耗的 折中關(guān)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(qiáng)效應(yīng)（IE 效應(yīng)），并提出交替浮 空 P- 基極（P-base）結(jié)構(gòu)，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(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗折中關(guān)系，其 IEGT 結(jié)構(gòu) 如圖 2（a）所示。到 2007 年，日本的 Y. Onozawa 提出 點(diǎn)注入 P-base 結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn) IE 效應(yīng)的同時(shí)，增加溝道 密度，實(shí)現(xiàn)了 IGBT 導(dǎo)通壓降為 1.6V（300A/cm2）時(shí)， 關(guān)斷損耗達(dá)到 38mJ/cm2。

②2008 年，三菱公司提出的載流子貯存型 IGBT（CSTBT）結(jié)構(gòu)，通過(guò)在 IGBT P-base 下方引入 一個(gè)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(jié)處形成了一個(gè)擴(kuò)散電勢(shì)，該擴(kuò)散電勢(shì)會(huì) 在器件導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空穴勢(shì)壘，用來(lái)阻擋 P-base 對(duì)空穴的抽取，使得器件導(dǎo)通時(shí)空穴在 P-base 下方 形成積累，提高器件正向?qū)〞r(shí)發(fā)射極一側(cè)的載流 子濃度，增強(qiáng)了器件的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，降低了器件的 正向?qū)▔航担浣Y(jié)構(gòu)如圖 2（b）所示。該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn) 了 IGBT 導(dǎo)通壓降為 1.7V（300A/cm2）時(shí)，關(guān)斷損耗 達(dá)到 36mJ/cm2。

③2012 年，日本的 M. Sumitomo 提出的部分窄 臺(tái)面（PNM）-IGBT（Partially Narrow Mesa IGBT）結(jié) 構(gòu)，如圖 2（c）所示。通過(guò)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?qū)〞r(shí)發(fā)射極一側(cè)的載流子濃度，從而 增強(qiáng)器件的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了 IGBT 導(dǎo)通壓降 為 1.6V（300A/cm2）時(shí)，關(guān)斷損耗達(dá)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(jié)構(gòu)，如 圖 2（d）所示該結(jié)構(gòu)在保證器件耐壓不變的條件下， 提高 CS 層摻雜濃度，進(jìn)一步提高發(fā)射極一側(cè)載流 子濃度，實(shí)現(xiàn)了 IGBT 導(dǎo)通壓降為 1.5V（300A/cm2） 時(shí)，關(guān)斷損耗達(dá)到 28mJ/cm2。2018 年，英飛凌在 ISPSD 會(huì)議中首次展示其新一代 1200V IGBT 產(chǎn)品 性能，通過(guò)窄臺(tái)面間距（Narrow Mesa Pitch）工藝技術(shù) 和 IEGT 結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了 1.4V 正向?qū)▔航担瑫r(shí)關(guān) 斷損耗達(dá)到 12mJ/cm2。

如圖 3 所示，IGBT 器件發(fā)展至今，在改善器件 的導(dǎo)通壓降和開(kāi)關(guān)損耗折中關(guān)系方面，國(guó)內(nèi)外已經(jīng) 提出了很多種結(jié)構(gòu)，通過(guò)提高 IGBT 發(fā)射極一側(cè)的 載流子濃度來(lái)改善導(dǎo)通壓降與關(guān)斷損耗折中關(guān)系， 最 新 的 低 損 耗 技 術(shù) 已 實(shí) 現(xiàn) 導(dǎo) 通 壓 降 為 1.5V （300A/cm2）時(shí)，關(guān)斷損耗僅有 28mJ/cm2。

1.2 IGBT 低 EMI 噪聲技術(shù)研究現(xiàn)狀

IGBT 在系統(tǒng)應(yīng)用中時(shí)，由于高頻開(kāi)關(guān)會(huì)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(yīng)，IGBT 導(dǎo)通壓降大、關(guān)斷損耗大。此類(lèi) IGBT 在開(kāi)啟過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)測(cè)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(nèi)；而隨著 IGBT 器件的發(fā)展， 基于 IE 效應(yīng)的 IGBT 器件雖然在單管導(dǎo)通損耗、開(kāi) 關(guān)損耗及短路能力上獲得了很大的提升，但是其開(kāi) 啟特性變差，在小電流開(kāi)啟條件下，開(kāi)啟瞬間柵壓會(huì) 出現(xiàn)大幅抬升，一般稱(chēng)之為柵極電壓 VGE 過(guò)沖，從 而導(dǎo)致開(kāi)啟 dv/dt 不受柵極電阻 Rg 控制，使得 IGBT 器件開(kāi)關(guān)電路中的續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流上升 速率（di/dt）加大且不受柵電阻控制，形成動(dòng)態(tài)穿通， 造成電路中電流電壓振蕩，導(dǎo)致系統(tǒng)應(yīng)用中 EMI 噪 聲較大。一般而言，系統(tǒng)中往往會(huì)采取增大柵極電 阻，降低 IGBT 開(kāi)關(guān) dv/dt 和 di/dt 的方法降低 EMI 噪聲。然而，研究發(fā)現(xiàn)，基于 IE 效應(yīng)開(kāi)發(fā)的 IGBT 在 系統(tǒng)應(yīng)用中很難通過(guò)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(cè)試條件下，給系統(tǒng)造成的 EMI 噪聲大小 的測(cè)試結(jié)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(guān)系圖，可以看出 所測(cè)得的系統(tǒng)噪聲是隨著柵極電阻 Rg 的增大而減 小的，當(dāng)柵極電阻 Rg 較大時(shí)，系統(tǒng) EMI 噪聲明顯減 小；圖 4（b）是采用 IEGT 的系統(tǒng)中 EMI 噪聲隨柵極 電阻 Rg 變化關(guān)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(yīng)用中的開(kāi)關(guān)損耗，但 IGBT 器件給 系統(tǒng)帶來(lái)的噪聲并沒(méi)有明顯減小。

上述問(wèn)題是由最早提出 IE 效應(yīng)的日本東芝公 司 Omura 等人發(fā)現(xiàn)的，他們對(duì) IGBT 器件在高壓、大 電流條件下的電容特性進(jìn)行了研究和建模，發(fā)現(xiàn)該 條件下 IGBT 的柵極電容呈現(xiàn)負(fù)微分電容的現(xiàn)象， 而在 IGBT 器件開(kāi)啟瞬間、關(guān)斷瞬間、短路過(guò)程均會(huì) 出現(xiàn)高壓大電流的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響器件的 EMI 噪聲 特性和可靠性。IGBT 負(fù)微分電容特性機(jī)理如下：一 是當(dāng) IGBT 器件處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，集電極 - 發(fā)射極 電壓 VCE 較大，IGBT 柵極下方電勢(shì)明顯高于柵極 電勢(shì)，在 IGBT 柵極下方，N- 漂移區(qū)表面形成有空 穴反型層；二是當(dāng) IGBT 器件開(kāi)啟瞬間，電流電流通 過(guò)溝道、漂移區(qū)向 IGBT 集電極漂移，集電極 PN 結(jié) 開(kāi)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(chǎng)作用下，以飽和速度向器件表面 漂移，這部分空穴達(dá)到器件表面后，無(wú)法及時(shí)通過(guò) IGBT 發(fā)射極流出，導(dǎo)致 IGBT 柵極下方空穴濃度迅 速增加（如圖 5 所示）。應(yīng)該看到，這些帶正電的空穴 會(huì)在柵上感應(yīng)出相應(yīng)的負(fù)電荷，相當(dāng)于在 IGBT 器 件柵極形成一個(gè)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(qū)動(dòng)電路給 IGBT柵極充電的部分電流，因此，器件表現(xiàn)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(gè)負(fù)電容的效果。三是 IGBT 負(fù)微 分電容導(dǎo)致 IGBT 的時(shí)間常數(shù) RGCG 也為負(fù)數(shù)，使 得器件在高壓大電流狀態(tài)下的 dv/dt 無(wú)法收斂，振蕩 變得越來(lái)越嚴(yán)重，并進(jìn)一步導(dǎo)致 IGBT 器件集電極 電流電壓振蕩、芯片體內(nèi)的電流不均勻等嚴(yán)重的問(wèn) 題。基于負(fù)容理論，日本東芝公司的 Omura 等人提 出平面柵 IGBT 器件可以通過(guò)改進(jìn)柵極結(jié)構(gòu)抑制負(fù) 容，如圖 6 所示，該 IGBT 的柵極結(jié)構(gòu)為階梯柵氧結(jié) 構(gòu)，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(fù)容對(duì)器件性能的影響。

針對(duì) IGBT 開(kāi)啟 EMI 噪聲不受柵極電阻控制的 問(wèn)題，富士公司研究人員又進(jìn)一步研究了其內(nèi)部產(chǎn) 生機(jī)理，他們指出 IGBT 在系統(tǒng)應(yīng)用中的 EMI 噪聲 不僅與器件的負(fù)微分電容特性相關(guān)，更多是由于 IGBT 開(kāi)啟瞬間柵極下方表面電勢(shì)的快速抬升導(dǎo)致， 而 IGBT 柵下方電勢(shì)的抬升，與 IGBT 器件內(nèi)流向柵 極該位置的空穴數(shù)量直接相關(guān)，基于該理論，研究人 員對(duì) IGBT 器件的結(jié)構(gòu)又做出了以下改進(jìn)。日本豐田公司的 Yoshiaki 等研究人員在文獻(xiàn)中 提出了如圖 7 所示的結(jié)構(gòu)，在 IEGT 的虛設(shè)（Dummy）區(qū)域區(qū)域采用了深 P 阱結(jié)構(gòu)，并在該深 P 阱結(jié) 構(gòu)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(guò)，在小電流條件下，空穴的主要流通路徑 是通過(guò)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(guò) 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?qū)▔?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(xiàn)中提出了 一種不帶浮空 P-layer 區(qū)的結(jié)構(gòu)，如圖 8 所示，該結(jié) 構(gòu)將 P 型基區(qū)點(diǎn)注入的形式間隔分布在 IGBT 溝槽 內(nèi)部，通過(guò)改變 IGBT 器件在開(kāi)啟瞬間的電流路徑， 減小 IGBT 表面橫向漂移電流來(lái)改善 IGBT 小電流 下的 EMI 噪聲特性，但是這種方法會(huì)明顯降低器件 的擊穿電壓和短路能力。

同時(shí)，它們進(jìn)一步提出來(lái)屏蔽柵 IGBT 結(jié)構(gòu)，如 圖 9 所示，通過(guò)在 IGBT 溝槽柵靠近浮空 p-base 區(qū) 域添加發(fā)射極溝槽柵結(jié)構(gòu)，屏蔽由浮空 p-base 區(qū)域 的空穴電流對(duì)柵極電勢(shì)的影響，進(jìn)一步改善了 IGBT 的 EMI 噪聲特性，但這種結(jié)構(gòu)工藝較為復(fù)雜，增大 了 IGBT 的生產(chǎn)成本。

目前有關(guān)改進(jìn) IGBT 器件 EMI 噪聲問(wèn)題方面， 國(guó)內(nèi)外持續(xù)在對(duì) IGBT 在系統(tǒng)中的 EMI 噪聲產(chǎn)生 機(jī)理進(jìn)行深入研究，并根據(jù)各個(gè)階段性理論研究成 果提出了多種新結(jié)構(gòu)，降低了 IGBT 在系統(tǒng)應(yīng)用中 的 EMI 噪聲。

1.3 IGBT 高雪崩擊穿可靠性技術(shù)研究

近年來(lái)，器件可靠性得到越來(lái)越多的關(guān)注，尤其 是在感性負(fù)載開(kāi)關(guān)電路中的雪崩擊穿可靠性。對(duì)于 IGBT 的雪崩擊穿可靠性而言，很多研究重點(diǎn)分析了 IGBT 在硬開(kāi)關(guān)條件下的雪崩擊穿可靠性以及相關(guān) 失效機(jī)理，研究成果表明大多數(shù) IGBT 器件的失效 是由于能量過(guò)大導(dǎo)致局部過(guò)熱，進(jìn)而導(dǎo)致器件毀滅 性的失效。目前，越來(lái)越多的產(chǎn)品規(guī)格書(shū)已經(jīng)將這樣 一個(gè)臨界能量作為 IGBT 器件雪崩擊穿可靠性的一 個(gè)指標(biāo)。IGBT 體內(nèi)存在寄生 NPNP 晶閘管，在 IGBT 雪崩擊穿可靠性的測(cè)試，當(dāng)集電極電壓高于其擊穿 電壓時(shí)，器件發(fā)生雪崩擊穿，其體內(nèi)產(chǎn)生大量的電子 空穴對(duì)，在電場(chǎng)的作用下，電子向集電極漂移形成 IGBT 體內(nèi)寄生 PNP 三極管的基極電流，IGBT 的集 電極向漂移區(qū)內(nèi)注入大量的空穴電流，這部分空穴 電流通過(guò) P-base 區(qū)流向發(fā)射極。當(dāng)這部分電流較大 時(shí)，容易使表面 N+ 與 P-Base 之間的 PN 結(jié)開(kāi)啟，使 IGBT 發(fā)生閂鎖效應(yīng)失效。IGBT 的雪崩擊穿可靠性研 究初期，通常認(rèn)為是由于其內(nèi)部寄生的晶閘管開(kāi)啟 導(dǎo)致的，尤其高溫條件下，寄生晶閘管更容易開(kāi)啟。

然而，在近幾年有學(xué)者進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，IGBT 自身存在一定的擊穿負(fù)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(guò)熱圖像鎖定技術(shù)測(cè)試方法，對(duì) IGBT 在非 鉗位感性開(kāi)關(guān)系統(tǒng)中的擊穿過(guò)程進(jìn)行熱分布測(cè)試， 發(fā)現(xiàn) IGBT 擊穿過(guò)程中不斷地會(huì)有電流集中并轉(zhuǎn)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(dǎo)體的 Paolo Spirito 等人 研究了在非嵌位感性負(fù)載開(kāi)關(guān)過(guò)程（Unclamped Inductive Switching，UIS）測(cè)試過(guò)程中 IGBT 不同的失 效機(jī)制，并深入研究了 UIS 測(cè)試中的電流限，首次提 出了 IGBT 的負(fù)阻特性對(duì)雪崩擊穿可靠性的影響， 指出當(dāng) IGBT 的雪崩擊穿電流較大時(shí)，器件的擊穿 電壓隨電流的增大而減小，即 IGBT 呈現(xiàn)擊穿負(fù)阻 特性。這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致 IGBT 芯片在擊穿時(shí)，由于工 藝波動(dòng)導(dǎo)致的元胞之間微小的擊穿電壓的差異被不 斷放大，出現(xiàn)電流集中的現(xiàn)象。這種電流集中現(xiàn)象導(dǎo) 致IGBT 器件局部過(guò)熱，電流密度十分大，最終導(dǎo)致 閂鎖效應(yīng)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(shí)對(duì) IGBT 擊穿 I-V 特性曲 線的不同影響，有纖維電流出現(xiàn)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(shí)線）在 更低的電流下發(fā)生閂鎖。

2014 年，研究人員進(jìn)一步深入研究了 IGBT 的擊穿 I-V 曲線中不同階段的形成機(jī)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(gè)明顯的負(fù)阻區(qū)。當(dāng)電流密度較小時(shí)， 載流子濃度遠(yuǎn)低于漂移區(qū)的摻雜濃度，對(duì)漂移區(qū)的電 場(chǎng)分布幾乎沒(méi)有影響；當(dāng)電流密度較大時(shí)，載流子濃 度達(dá)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(chǎn)生的載流子會(huì)改變 IGBT 漂 移區(qū)內(nèi)的凈正電中心濃度，使得漂移區(qū)的電場(chǎng)分布改 變，動(dòng)態(tài)擊穿電壓改變，器件的擊穿魯棒性變化。

Paolo Spirito 等人進(jìn)一步通過(guò)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(lái)調(diào)節(jié) IGBT 背面集電極的注入效率 αPNP，從而改善了 IGBT 的擊穿負(fù)阻特性。如圖 13 所示，IGBT 擊穿 I-V 曲線的負(fù)阻特性隨著垂直寄生 PNP 三極管的 αPNP 的減小而改善，甚至當(dāng) αPNP<0.5 之后可以 完全消除負(fù)阻分支，從而有效提高了 IGBT 的雪崩 擊穿可靠性，但這樣會(huì)造成 IGBT 導(dǎo)通壓降的顯著增加。?

在 2014 年，Paolo Spirito 等人進(jìn)一步指出 IGBT 中溝槽柵密度增大時(shí)，器件的雪崩擊穿負(fù)阻特性變 得更加明顯，器件的雪崩擊穿可靠性進(jìn)一步降低，并 提出采用低溝槽柵密度的元胞結(jié)構(gòu)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(yīng)后 IGBT 體內(nèi)擊穿引起的纖維電流會(huì)發(fā)生 轉(zhuǎn)移，纖維電流造成的電流集中點(diǎn)會(huì)導(dǎo)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(shí)的擊穿電壓時(shí)，纖維電流將會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移，避免了 在最初的纖維電流產(chǎn)生點(diǎn)擊穿失效，如圖 15 所示。從圖中可以看出，F(xiàn)S-IGBT 相比于 PT-IGBT 更不容 易發(fā)生失效，因?yàn)?50℃的溫升使得 FS-IGBT 的擊穿 電壓高于常溫?fù)舸╇妷海M(jìn)而導(dǎo)致纖維電流位置轉(zhuǎn) 移，但對(duì)于 PT-IGBT 而言，50℃的溫升時(shí) IGBT 擊穿 電壓依然較低，纖維電流不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致器件更 容易失效。

綜上所述，目前 IGBT 的雪崩擊穿可靠性嚴(yán)重 受限于其擊穿負(fù)阻特性，且現(xiàn)有的改善擊穿負(fù)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(huì)增大 IGBT 的正向?qū)▔?降，并且尚無(wú)論文通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法突破上述折 中關(guān)系，IGBT 雪崩耐量可靠性研究還處于起步階 段，因此對(duì) IGBT 雪崩耐量可靠性還需要更深入的 研究和改善。

2 IGBT 技術(shù)應(yīng)用與進(jìn)展

2.1 軌道交通領(lǐng)域

21 世紀(jì)，中國(guó)鐵路進(jìn)入高速重載時(shí)代，急需開(kāi)發(fā) 高壓 IGBT 以支撐交流傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。國(guó)內(nèi) IGBT 產(chǎn)業(yè)化主要有“引進(jìn)芯片 + 自主封裝”和“并購(gòu)→消 化吸收→再創(chuàng)新”2 種技術(shù)路線，并且 2 種路線都獲 得了發(fā)展。牽引級(jí)高壓 IGBT 模塊是基于平面柵“U 型”元胞、發(fā)射極注入增強(qiáng)和平面柵軟穿通結(jié)構(gòu)特征 而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的第 4 代“雙擴(kuò)散 MOS（DMOS）+IGBT” 和配套的快恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diodes，F(xiàn)RD） 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(hào)”大功率機(jī)車(chē)和地鐵牽引變 流器中獲得應(yīng)用和批量推廣。2014 年，自主設(shè)計(jì)并 建成全球首條直徑 200mm 高壓 IGBT 芯片生產(chǎn)線， 開(kāi)發(fā)了以高能質(zhì)子注入和激光退火為特征的低溫緩沖層技術(shù)和成套先進(jìn)工藝，實(shí)現(xiàn)了高壓 IGBT 芯片 制造從直徑 150mm 到直徑 200mm 晶圓工藝的技術(shù) 跨越。基于 200mm 晶圓工藝技術(shù)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了 1500A/3300V，750A/6500V 高性能 IGBT 模塊，總體 性能達(dá)到國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品先進(jìn)水平，滿足了“復(fù)興號(hào)” 高速鐵路應(yīng)用需求，現(xiàn)場(chǎng)失效率優(yōu)于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品。中國(guó)鐵道電氣化 60 多年來(lái)，從交直傳動(dòng)到交流傳 動(dòng)，從普速輕載到高速重載，國(guó)產(chǎn)功率半導(dǎo)體器件 （如圖 16 所示）起到了巨大推動(dòng)作用，高壓 IGBT 在 中國(guó)高鐵的應(yīng)用正逐步展開(kāi)，并將快速擴(kuò)大應(yīng)用。

2.2 高壓直流輸電

隨著新能源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用和接入并網(wǎng)，以 及柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展，行業(yè)對(duì)具有自主關(guān)斷 能力的大功率半導(dǎo)體器件提出了迫切需求。基于電 網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)和對(duì)產(chǎn)品參數(shù)均勻性的要求，通過(guò) 引入 JFET 區(qū)注入、空穴阻擋層（Hole Barrier）和臺(tái)面 柵（Terrace Gate）等元胞優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)改進(jìn)型 IGBT 元胞設(shè)計(jì)，提升了 IGBT 芯片整體性能，同時(shí)基于此 設(shè) 計(jì) 開(kāi) 發(fā) 了 智 能 電 網(wǎng) 用 焊 接 型 高 功 率 密 度 1500A/3300VIGBT 模塊，其芯片結(jié)構(gòu)和模塊開(kāi)關(guān)特 性如圖 17 所示，該產(chǎn)品已在廈門(mén)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(jìn)程加快，焊接型 IGBT 模塊在容量、效率、電路 拓?fù)浜涂煽啃缘确矫娑茧y以滿足應(yīng)用需求，而壓接型IGBT 作為一種容量更大、更易串聯(lián)應(yīng)用的新型封 裝形式，是高壓柔性直流輸配電技術(shù)的關(guān)鍵核心器 件。基于應(yīng)用需求，對(duì)大規(guī)模 IGBT 芯片壓接封裝過(guò) 程中面臨的“機(jī) - 電 - 熱”強(qiáng)耦合條件下的芯片均 流原理我國(guó)已有了深入研究：①首次完成了大尺寸 IGBT 芯片設(shè)計(jì)研究，及其力學(xué)增強(qiáng)、方形陶瓷管殼 和壓接封裝等關(guān)鍵技術(shù)研究；②首次提出了 IGBT 低時(shí)延?xùn)艠O互連與元胞柵電阻結(jié)構(gòu)，完成了 IGBT 元胞開(kāi)關(guān)同步與均流控制技術(shù)研究，開(kāi)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(jié)工藝與芯片增強(qiáng)技術(shù)，解決了高 壓 IGBT 壓接封裝過(guò)程中的均壓和均流等技術(shù)難 題，研制了低損耗和高關(guān)斷能力的 3600A/4500V 大 容量壓接型 IGBT, 其元胞結(jié)構(gòu)、芯片和模塊如圖 18 所示，產(chǎn)品在張北±500kV 直流電網(wǎng)和烏東德± 800kV 特高壓直流輸電工程獲得成功應(yīng)用與推廣。

2.3 汽車(chē)電動(dòng)化領(lǐng)域

車(chē)規(guī)級(jí)功率器件要適應(yīng)汽車(chē)應(yīng)用場(chǎng)景下高溫、 高濕和強(qiáng)振動(dòng)的運(yùn)行環(huán)境和復(fù)雜電磁環(huán)境下頻繁啟 停、功率循環(huán)與溫度沖擊的應(yīng)用工況，使得電動(dòng)汽車(chē) 更高效、更節(jié)能地完成能量的傳遞與輸出。電動(dòng)汽車(chē) 性能的不斷提升對(duì)功率器件提出了更高的要求，主 要體現(xiàn)在芯片損耗、模塊電流輸出能力和溫度循環(huán) 壽命 3 個(gè)方面，低損耗與整車(chē)電耗、續(xù)駛里程強(qiáng)相 關(guān)，電流輸出能力關(guān)系到電機(jī)輸出功率，而溫度循環(huán) 壽命代表功率器件適應(yīng)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(dòng)汽車(chē)的 動(dòng)力輸出能力，由于牽引逆變器體積和母線電壓等 級(jí)的限制，當(dāng)前實(shí)現(xiàn)高功率密度均著眼于逆變器中 功率半導(dǎo)體器件電流密度的提高。此外，電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù) 航能力的提升一方面需通過(guò)功率半導(dǎo)體器件的低功 率損耗優(yōu)化技術(shù)來(lái)提高牽引逆變器的能量轉(zhuǎn)換效 率；另一方面，通過(guò)提高動(dòng)力電池的電壓等級(jí)實(shí)現(xiàn)充 電效率的提升，這對(duì)功率半導(dǎo)體器件耐壓等級(jí)提出 了更高要求；同時(shí)，高溫漏電流會(huì)使芯片熱可靠性急 劇下降，甚至導(dǎo)致功率半導(dǎo)體器件損壞，引發(fā)逆變器 二次燒毀；而保障高溫工況下?tīng)恳孀兤鞯陌踩?靠性運(yùn)行一方面要求功率半導(dǎo)體模塊封裝具有良好 的散熱能力；另一方面，要求通過(guò)功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)優(yōu) 化技術(shù)，提高其耐高溫能力。最后，電動(dòng)汽車(chē)直接關(guān) 系人身安全，牽引逆變器的安全、可靠運(yùn)行離不開(kāi)傳 感器對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)的精準(zhǔn)監(jiān)控以及輔助電路的保護(hù) 作用，將傳感器或驅(qū)動(dòng) / 緩沖電路集成在功率半導(dǎo) 體器件上或功率模塊內(nèi)部，有利于進(jìn)一步提高牽引 逆變器的功率密度。

目前，可用于車(chē)規(guī)級(jí)功率模塊的功率半導(dǎo)體器 件，包括碳化硅基功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)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(kāi)關(guān)速度快等優(yōu) 勢(shì)；但其成本高，動(dòng)態(tài)特性對(duì)封裝雜感參數(shù)敏感，缺 少長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性評(píng)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(wèn)題和柵極氧化層的工藝可靠性有待解決。同時(shí)，由于當(dāng)前工藝限制，單個(gè)碳化硅芯 片面積小，載流能力遠(yuǎn)低于硅基 IGBT 芯片，因此需 更多芯片并聯(lián)使用，而實(shí)現(xiàn)多個(gè)芯片間的均流以及 低熱耦合是碳化硅逆變器設(shè)計(jì)中亟需解決的問(wèn)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(kāi)關(guān)速度快和耐溫高 的優(yōu)勢(shì)。以上因素均在一定程度上制約了碳化硅器 件在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。目前，市面上特斯拉 的部分車(chē)型中已使用碳化硅器件，減輕了整車(chē)重量， 且增加了續(xù)航里程。因此，可以預(yù)見(jiàn)，碳化硅器件今 后將會(huì)和硅基器件長(zhǎng)期并存互補(bǔ)，共同成為電動(dòng)汽 車(chē)領(lǐng)域的主流選擇，推動(dòng)牽引逆變器向高功率密度、 高效率等方向前進(jìn)。鑒于車(chē)規(guī)級(jí)功率模塊的應(yīng)用場(chǎng) 景需求分析，硅基 IGBT 芯片仍是電動(dòng)汽車(chē)逆變器 應(yīng)用上的主流功率器件，且極具發(fā)展?jié)摿Γ湫酒?術(shù)演進(jìn)歷程如圖 19 所示。

3 機(jī)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(shí)。功率半導(dǎo)體器件 朝著提升功率密度、提高開(kāi)關(guān)速度、降低工作損耗、 提高工作溫度和增強(qiáng)可靠性等方向發(fā)展和創(chuàng)新，在 很大程度上滿足了社會(huì)各行業(yè)多樣化的應(yīng)用需求；但同時(shí)也面臨著器件結(jié)構(gòu)精細(xì)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(shù) 挑戰(zhàn)。目前面臨的挑戰(zhàn)有以下幾個(gè)方面：

1）溝槽柵精細(xì)化的進(jìn)一步研究。目前，英飛凌 公司 EDT2 IGBT 的臺(tái)面寬度最小，約為 600nm，但 仍遠(yuǎn)大于理論極限水平 20~40nm。改進(jìn)溝槽制造工 藝，例如深亞微米級(jí)的曝光技術(shù)、化學(xué)機(jī)械拋光、快 速熱退火處理等，進(jìn)一步減小槽間臺(tái)面寬度始終是 提升芯片電流密度的關(guān)鍵。

2）IGBT 芯片高壓 / 高溫優(yōu)化技術(shù)的研究。電動(dòng) 汽車(chē)動(dòng)力電池電壓等級(jí)在主流 400V 的基礎(chǔ)上呈現(xiàn) 上升趨勢(shì)，目前已有保時(shí)捷、雪佛蘭、菲斯克等多個(gè) 汽車(chē)廠家都已在開(kāi)發(fā)采用 800V 動(dòng)力電池的電動(dòng)汽 車(chē)，其中保時(shí)捷的 Taycan 系列已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)；動(dòng)力 電池電壓等級(jí)升高對(duì)電動(dòng)汽車(chē) IGBT 芯片的耐壓能 力提出了更高的要求。提高 IGBT 芯片工作結(jié)溫是 提高功率密度，確保電動(dòng)汽車(chē)逆變器可靠運(yùn)行的關(guān) 鍵。一方面，通過(guò)改進(jìn)緩沖層摻雜方式，來(lái)減小高溫 漏電流；另一方面，需要解決電壓回跳問(wèn)題以推動(dòng)逆 導(dǎo)型 IGBT （Reverse Conducting IGBT，RC-IGBT）芯 片在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的廣泛使用。

3）多種優(yōu)化技術(shù)組合的探索。IGBT 芯片特性 之間相互影響，例如電流密度、開(kāi)關(guān)損耗和短路耐量 間存在著復(fù)雜的制約關(guān)系，僅使用單一技術(shù)對(duì) IGBT 芯片性能進(jìn)行改進(jìn)會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題。溝槽精細(xì)化、超 級(jí)結(jié)、逆導(dǎo)技術(shù)、薄片工藝和終端結(jié)構(gòu)技術(shù)的結(jié)合為 高性能 IGBT 芯片實(shí)現(xiàn)多種特性的折衷提供了更多 的可能。

4）功率半導(dǎo)體技術(shù)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(cè)技術(shù)成 為主要的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一。通過(guò) IGBT 與 FRD 單 芯片集成，IGBT 封裝更加簡(jiǎn)單，運(yùn)行過(guò)程中結(jié)溫波 動(dòng)更小有利于提高應(yīng)用可靠性；通過(guò)在 IGBT 芯片 上集成電流和溫度傳感器，可以把芯片結(jié)溫和電流 等信號(hào)實(shí)時(shí)傳送到驅(qū)動(dòng)保護(hù)單元，監(jiān)測(cè)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(yīng)用 系統(tǒng)更加智能化。

4 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了主流功率半導(dǎo)體器件 IGBT 的 歷史沿革和最新研究進(jìn)展，闡述了該器件的技術(shù)和 應(yīng)用現(xiàn)狀和面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。在新 型器件結(jié)構(gòu)、先進(jìn)制造工藝、寬禁帶材料及器件等研 究成果的支撐下，基于應(yīng)用需求，全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新，半導(dǎo)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(dǎo)體器件，IGBT 健康發(fā)展有力地 支撐了 21 世紀(jì)人類(lèi)面臨的新一輪電氣化革命，為全 球環(huán)境和資源保護(hù)、碳達(dá)峰和碳中和等人類(lèi)共同目標(biāo) 提供了電力電子技術(shù)基礎(chǔ)和器件的全面解決方案。

審核編輯 ：李倩