第5代IGBT芯片技术详解

第5代IGBT芯片技术可谓是IGBT芯片技术的“春秋战国”，宣称是第5代的技术大致列于表 1，部分新品结构与PT/NPT的对比如图1所示。

表1 部分宣称为第5代IGBT技术的概况

名称		中文参考译名	开发者/隶属公司	主要改进
缩写	全称	中文参考译名	开发者/隶属公司	主要改进
FS	Field Stop	场阑	Siemens或者Infineon	N-基区厚度与NPT相比减少约30%，关断功耗降低，拖尾电流减小，最大结温提高
TS	Trench gate field Stop	槽栅—场阑	Siemens或者Infineon	饱和压降降低
SPT	Soft Pmch Through	软穿通	Semikron ABB	饱和压降降低
SPT+	SPT plus	超软穿通	Semikron ABB	电压等级提高
CSTBT	Carrier Stored Trench Bipolar Transistor	多子存贮槽栅双极性晶体管	Mitsubishi	电压等级提高，饱和压降很低，抗短路能力提高
LPT	Light Punch Through	轻穿通	Mitsubishi	LPT-CSTBT：抗短路能力进一步提高
QPT	Quick Punch Through	快穿通	Fairchild	开关速度提高
UTPT	Ultra Thin Punch Through	弱穿通	Toshiba	电流密度明星提高，饱和压降和拖尾电流降低
HiGT	Trench High-ConductivityIGBT	高导电率槽栅IGBT	Hitachi	开态电压降低，电流密度提高
LiPT	Low Lnjection Punch-Through Structure	少子PT-IGBT	Hitachi	关断功耗降低

图1 几种芯片的结构对比示意图（槽栅比例大致统一）

·所谓开态电压，指的是IGBT 饱和导通所需要的栅极—发射极电压的最小值或者典型值，通常认为该电压值是15V，这实际上是开态电压值的上限。不同产品的开态电压实际上是不一样的，但不会高于15V。
·所谓电场分布，就是芯片内部在工作电压条件下的电场分布情况，均匀分布的电场是比较有利的，矩形分布的电场最理想。PT型的电场分布还是比较理想的，后来的改进技术大都向这一电场分布模型靠拢。
FS、LPT 等一系列新技术因为技术开发和专利归属的不同，在具体技术、工艺细节上会有很多不同，但基本改进思路却不谋而合，即在PT的基础上生成一个低掺杂浓度的N+缓冲区充当高阻区，替代原本由集电区（P十）兼任高阻区的任务；集电区不再担当耐电压的高阻区，几乎只相当于衬底，厚度可以大幅度减薄。从图1来看，它们与PT最明显的区别就是集电区大幅度变薄了。
· FS (Field Stop)-般译为场终止、场截止、场中止等，笔者以为场阑更为贴切。阑既有“栏”（围栏）之意，又有“拦”（遮挡，阻止）之意，与对应的结构及技术措施的含义更为接近。场阑的作用就像一个“圈”，圈中的是电场，使电场到此为止，不至于继续向下穿通集电区。
对于FS结构而言，耗尽层在工作电压和击穿电压下都会穿通N-基区，穿通情况比较“重”；而对于LPT而言，耗尽层只有在击穿电压下才会穿通N-基区，而在工作电压下不会穿通N-基区，穿通情况比较“轻”，“轻穿通”的名称由此而来。SPT、QPT的情况与LPT类似。
·TS (Trench gate field Stop)是FS与槽栅技术的糅合，图1中的FS实际上是TS结构，纯粹的FS采用的是平面栅结构。Tnfineon 公司为自己的TS产品申请了“TS”(Trench Stop)商标，随着应用这一技术的制造商的增多，将来会不会称为TGFS也未可知。
· CSTBT是三菱公司的技术名称，其主要亮点是CS(Carrier Stored），基本方法是在靠近发射极的区域(源区，参见图2)用掩膜(Buried)工艺增加一个低掺杂浓度的N型区，用来暂时“存储”源区（发射区）浓度比较高的载流子，相当于给源区配置了一个载流子“仓库”。

图2 三种晶体管的导电原理

图3 简化后的IGBT等效电路

如果用图3所示的简化电路来理解，相当于将等效电路中的二极管换成了PIN二极管。PIN二极管就是在P区与N区之间增加了一个掺杂浓度极低、接近纯半导体(Intrinsic semiconductor)的区域，从而大幅提高了开关速度和电压等级。
CSTBT的主要目的就是获得高电压等级、低饱和压降的产品，糅合了LPT技术的CSTBT则兼具短开关时间的优势。
· Fairchild 公司2004 年申请了一项名为QPT( US683132982)的专利，这是一种基于PT结构的高速IGBT，基本方法是设计一个窄并且掺杂浓度比较低的漂移区，使得耗尽层可以在较低的电压下穿透缓冲区。基于QPT的IGBT 关断特性比较接近VMOS，拖尾电流比较小，硬开关工作频率可以达到lOOkHz左右，比较适合开关电源。据此，Fairchild提出了SMPS IGBT的概念，即用于开关电源的IGBT，现在已经发展到了SMPS II。
· HiGT与CSTBT的基本技术思路有些相似，只不过它不是为过剩的空穴建立“仓库”，而是提高电子的注入率，位置在靠近栅极的区域、P+源区的顶部。这样做的好处是，不但解决了源区空穴过剩的问题，同时也提高了通流能力，降低了电阻率。
· LiPT技术是为改善HiGT技术的关澎高磊硅罷而并发的，基于HiGT的产品一般为沟槽栅。LiPT的集电区改用P-材料，低掺杂浓度，这一思路和TPT处理集电区的方法相似。LiPT技术在沟槽上一样可以提高电流密度，但是对开关时间的影响要小得多，因此加入了LiPT的HiGT结构，没有必要非得采用沟槽栅，而可以采用成本低、速度高的平面栅。