IGBT器件介绍 IGBT结构与工作原理

一、IGBT器件介绍

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是绝缘栅双极晶体管的简称，其由双极结型晶体管(BJT)和金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)组成，是一种复合全控型电压驱动式开关功率半导体器件，是实现电能转换的核心器件，也是目前MOS-双极型功率器件的主要发展方向之一。

IGBT的结构和等效电路图如图1所示，其不仅具有MOSFET输入阻抗高、栅极易驱动等特点，而且具有双极型晶体管电流密度大、功率密度高等优势，已广泛应用于轨道交通、新能源汽车、智能电网、风力发电等高电压、大电流的领域，以及微波炉、洗衣机、电磁灶、电子整流器、照相机等低功率家用电器领域。

图1： a) IGBT简化结构 b) 含有寄生npn晶体管和电阻Rs的等效电路 c) 简化后的等效电路

二、IGBT结构与工作原理

IGBT的结构可以分为表面栅极结构和体Si结构两部分，表面栅极结构有两种类型：栅极形成在晶圆表面的平面栅结构和栅极形成在晶圆表面沟槽中的沟槽栅结构，沟槽栅结构将平面栅的表面沟道移到体内，消除了平面栅结构中的JFET区，提高了器件的电流密度，平面栅IGBT和沟槽栅IGBT的结构分别如图2 a)和b)所示。

图2：a) 平面栅IGBT 图2：b) 沟槽栅IGBT

另一方面，体Si结构根据器件在反向耐压时耗尽区是否到达集电区可以分为穿通型(PT)IGBT和非穿通型(NPT)IGBT(FS型可以看成是穿通型的改进结构)，其结构和电场分布如图3)所示。

图3 ：a)PT IGBT b) NPT IGBT c) FS IGBT

PT IGBT 、NPT IGBT和FS IGBT的结构特点、制作工艺和特性比较如表1)所示。

表1)：PT-IGBT 、NPT-IGBT、FS-IGBT比较

图2a)展示了IGBT元胞的基本结构，其中P-collector、N-drift和P-base区构成PNP晶体管部分，N+源区、P-base 基区以及N-drift作为漏区共同构成NMOS结构。

整体上看，IGBT结构是在MOS管结构的基础上，将部分n型漏极区用重掺杂p型区代替，两者最大的区别在于，MOS管器件采用低掺杂的n型漏极区以获得较高的击穿电压，然而在导通状态下会产生较大的压降;IGBT背面引入的N-drift/P-collector结可以在器件导通时向漂移区注入少数载流子，在N-drift区形成电导调制效应，大大降低漂移区电阻。

IGBT是一个三端器件，正面有两个电极，分别为发射极(Emitter)和栅极(Gate)，背面为集电极(Collector);在正向工作状态下，发射极接地或接负压，集电极接正压，两电极间电压Vce>0，因此IGBT的发射极和集电极又分别称为阴极(Cathode)和阳极(Anode)。IGBT可以通过控制其集-射极电压Vce和栅-射极电压Vge的大小，实现对IGBT导通/开关/阻断状态的控制，其简要工作原理如下：

当IGBT栅-射极加上加0或负电压时，正面MOSFET结构沟道消失，IGBT呈关断状态。

当集-射极电压Vce<0时，N-drift/P-collector PN结处于反偏，IGBT呈反向阻断状态。

当集-射极电压Vce>0时，分两种情况：

①若栅-射极电压Vge

②若栅-射极电压Vge>Vth ，MOS栅极沟道形成，IGBT呈导通状态(正常工作)。此时，空穴从P+区注入到N-基区进行电导调制，减少N-基区电阻RN-的值，使IGBT通态压降降低。

三、IGBT工艺技术

IGBT的正面工艺流程和常规平面DMOS器件类似。

主要包括以下步骤：保护环注入和推进→场氧(FOX)形成→沟槽刻蚀与栅氧生长→多晶Poly填充→源区Pbody与N+注入→介质层生长→接触孔刻蚀与填充→金属层连接与钝化层覆盖。IGBT的背面工艺与DMOS有较大差别，主要工艺步骤包括：背面减薄→H注入或P注入形成Buffer层→背面集电极P+注入→激光退火→背面金属层形成。

IGBT工艺技术有别于平面DMOS且加工难度大的方面包括：超薄片加工、高能离子注入、背面激光退火。

四、IGBT发展路线

从20世纪80年代IGBT器件诞生至今，随着工艺水平的发展，IGBT先后经历了7代升级，从平面穿通型(PT)到平面非穿通型(NPT)，再到沟槽场截止型(Trench FS)，芯片面积、工艺线宽、通态饱和压降、关断时间、功率损耗等各项参数指标经历了不断的优化，阻断电压也从最初的600V提高到10000V以上，产品涵盖低中高各个电压范围。

IGBT各代次技术参数对比如下表2所示。

表2)：IGBT各代次技术参数对比

未来IGBT器件将向着槽栅结构、精细化图形、载流子注入增强调制、以及薄片化的加工工艺和更大尺寸的晶圆方向继续发展;同时，先进的封装技术和更多功能的集成也是IGBT的发展方向;此外，伴随着SiC材料开发逐渐走向成熟，SiC IGBT器件的研发和产业化或许会给IGTB器件带来新的生机。

五、龙腾IGBT产品列表

审核编辑：汤梓红