第⼀代到第六代IGBT设计和制造技术的发展概况
——愿本⽂能顺利地为未接触过半导体⼯艺技术的IGBT使⽤者提供参考
(⼀)引⾔：据报道，IGBT功率半导体器件⾃上世纪⼋⼗年代中期问世后，受到应⽤者的热烈欢迎，⼤量使⽤在电⼒电⼦装置上，使装置进⼊了⼀个突飞猛进阶段。IGBT也越来越深⼊⼈⼼。 初期的IGBT存在了很多不⾜的地⽅，使应⽤受到了极⼤的限制。其后⼈们针对其存在的不⾜，作了不断改进。⾏内习惯按改进次序排列，现今IGBT已进⼊到第六代。可以这么说每⼀次改进都有⼀个飞跃。 (⼆)了解⼀下半导体
虽然IGBT的应⽤者需要了解的只是IGBT规格、型号、性能、参数和应⽤须知就够了，但不妨了解⼀下半导体器件最基本的知识对阅读本⽂是有帮助的。连接轴
汽车电动踏板IGBT是⼀种功率半导体器件。器件的制作就是在薄薄的⼀层均匀的半导体硅晶⽚中按设计⽅案⽤特定的⼯艺⼿段做成不同功能的
若⼲⼩区域(可能⼤家已有了解的所谓PN结、⾼阻层、⾼浓度杂质低阻区、绝缘层、原胞、发射极、集电极、栅极等)，⽽且按要求连接
编织软管成回路。各个⼩的功能区的厚薄、⼤⼩、位置、杂质性质、杂质浓度甚⾄杂质浓度分布如浓度梯度都会给器件性能带来极⼤的影响。所有半导体器件(含微电⼦、集成电路等)设计和制作就是在硅晶⽚中做这样的结构⽂章。如何去制作不同结构的⼩区域(即晶⽚内结构)，则需⽤各种半导体制作⼯艺(如扩散⼯艺、外延⼯艺、离⼦注⼊⼯艺、辐照⼯艺、光刻⼯艺、沟槽⼯艺等)及相关的专⽤设备和⼯艺条件(如不同级别的原料、辅料及洁净⼚房等)。举例说来，同是功率半导体器件的可控硅和IGBT芯⽚结构就⼤不⼀样。可控硅电流再⼤、电压再⾼，只有⼀个单独的芯⽚。IGBT则是利⽤MOS集成电路⼯艺，在⼀个⼤硅晶⽚上制成若⼲个可分割的芯⽚，每个芯⽚中⼜有不少的同样结构的原胞并联组成(见下图)，然后在封装时根据需要把芯⽚组成回路或把芯⽚并联制成⼤电流的单管、桥臂等模块。此例只是两者芯⽚内结构差异中的⼀个⼩例⽽已，其它差异多得是，不胜枚举。
(三)IGBT的发展过程
IGBT中⽂名为“绝缘栅双极型晶体管”，是⼀种MOS功率器件(MOSFET)和⼤功率双极型晶体管(GTR)混合型电⼒电⼦器件。它的
机械滑道
控制信号输⼊是MOS型的，与器件的晶⽚绝缘(常称绝缘栅)，利⽤
感应原理输⼊信号。20世纪七⼗年代出现的MOSFET就是这样⼀种输⼊阻抗⾼、控制功率⼩、驱动电路简单、开关速度⾼的MOS器件。它的缺点是导通电阻⼤、电流通过能⼒受到限制，还有器件承受⼯作电压能⼒也极其有限。当⼈们把MOSFET绝缘栅技术结合到⼤功率
5-氯-2-戊酮双极型晶体管(GTR)上就出现了⾯⽬全新的IGBT，当时从原理上论
证它应该具有电流密度⼤、饱和压降低、电流处理能⼒强、开关速度快等优点。但实际并⾮如此，甚⾄第⼀代IGBT在改进前实⽤意义不⼤。于是从上世纪⼋⼗年代中到本世纪初这⼆⼗年中，IGBT在上述两者结合的基础上⾛过了六次⼤改进的路程，常称六代(德国称四代)。这个过程是很艰苦的，⾯对的是⼤量的结构设计调整和⼯艺上的难题。下表概括了六次改进所采取的技术措施和改进后的效果。
六代IGBT的变迁与特性改进表
(四)IGBT技术改进的追求⽬标及效果分析
1，减⼩通态压降。达到增加电流密度、降低通态功率损耗的⽬的。
2，降低开关时间，特别是关断时间。达到提⾼应⽤时使⽤频率、降低开关损耗的⽬的。
3，组成IGBT的⼤量“原胞”在⼯作时是并联运⾏，要求每个原胞在⼯作温度允许范围内
温度变化时保持压降⼀致，达到均流⽬的。否则会造成IGBT器件因个别原胞过流损坏⽽损坏。
4，提⾼断态耐压⽔平，以满⾜应⽤需要。
金属化膜上表列出数据表明：
1，在同样⼯作电流下芯⽚⾯积、通态饱和压降、功率损耗逐代下降。关断时间也是逐代下降。⽽且下降幅度很⼤。达到了增加电流密度、降低功率损耗的⽬的。
2，表上列出的“断态电压”即是Vceo，发射极和集电极之间耐压。这是应⽤需要提出的越来越⾼的要求，
(五)采取了哪些技术改进措施
在硅晶⽚上做⽂章，有很多新技术、新⼯艺。IGBT技术改进措施主要有下⾯⼏个⽅⾯：
1，为了提⾼⼯作频率降低关断时间，第⼀代、第⼆代早期产品曾采⽤过“辐照”⼿段，但却有增加通态
压降(会增加通态功耗)的反作⽤危险。
2，第⼀代与第⼆代由于体内晶体结构本⾝原因造成“负温度系数”，造成各IGBT原胞通态压降不⼀致，不利于并联运⾏，因此当时的IGBT电流做不⼤。此问题在第四代产品中采⽤了“透明集电区技术”，产⽣正温度系数效果后基本解决了，保证了(四)3中⽬标的实现。
3，第⼆代产品采⽤“电场中⽌技术”，增加⼀个“缓冲层”，这样可以⽤较薄的晶⽚实现相同的耐压(击穿电压)。因为晶⽚越薄，，饱和压降越⼩，导通功耗越低。此技术往往在耐压较⾼的IGBT上运⽤效
果明显。耐压较低的如⼏百伏的IGBT产品，晶⽚本来就薄，再减薄到如100到150微⽶的话，加⼯过程极容易损坏晶⽚。
4，第三代产品是把前两代平⾯绝缘栅设计改为沟槽栅结构，即在晶⽚表⾯栅极位置垂直刻槽深⼊晶⽚制成绝缘栅。栅极⾯积加⼤但占⽤晶⽚位置减⼩，增加了栅极密度。⼯作时增强了电流导通能⼒，降低了导通压降。
5，第四代⾮穿通型IGBT(NPT)产品不再采⽤“外延”技术，代之以“硼离⼦注⼊”⽅法⽣成集电极，这就是(五)2中提到的“透明集电区技术”。除已提到的产⽣正温度系数、便于并联运⾏的功能外，主要还有：
5.1 不必⽤辐照技术去减少关断时间，因为“透明集电区技术”也有此功能。因此不存在辐照使通态压降增加⽽增加通态损耗的可能。即(五)1中提到的“危险”。
5.2 不采⽤“外延”⼯艺和“辐照”⼯艺，可以减低制造成本。
6，表中所列的第五、第六代产品是在IGBT经历了上述四次技术改进实践后对各种技术措施的重新组合。第五代IGBT是第四代产品“透明集电区技术”与“电场中⽌技术”的组合。第六代产品是在第五代基础上改进了沟槽栅结构，并以新的⾯貌出现。
请注意表中第五季第六代产品的各项指标改进⼗分明显，尤其是承受⼯作电压⽔平从第四代的3300V提⾼到6500V，这是⼀个极⼤的飞跃。
上述⼏项改进技术已经在各国产品中普遍采⽤，只是侧重⾯有所不同。除此以外，有报道介绍了⼀些其它技术措施如：内透明集电极、砷掺杂缓冲层、基板薄膜化、软穿通技术等。
7，世界各IGBT制造公司的技术动态
7.1 低功率IGBT
摩托罗拉、ST半导体、三菱等公司推出低功率IGBT产品，应⽤范围⼀般都在600V、1KA、1KHz以上区域。
7.2 NPT-IGBT
在设计600—1200V的IGBT时，NPT—IGBT可靠性最⾼，正成为IGBT发展⽅向。西门⼦公司可提供600V、1200V、1700V系列产品和6500V⾼压IGBT，并推出低饱和压降DLC型NPT—IGBT，依克赛斯、哈⾥斯、英特西尔、东芝等公司也相继研制出NPT—IGBT 及其模块系列，富⼠电机、摩托罗拉等在研制之中。
7.3 SDB--IGBT
三星、快捷等公司采⽤SDB(硅⽚直接键合)技术，在IC⽣产线上制作第四代⾼速IGBT及模块系列产品，特点为⾼速，低饱和压降，低拖尾电流，正温度系数易于并联，在600V和1200V电压范围性能优良，分为UF、RUF两⼤系统。
7.4超快速IGBT
国际整流器IR公司研制的超快速IGBT可最⼤限度地减少拖尾效应，关断时间不超过2000ns，采⽤特殊⾼能照射分层技术，关断时间可在100ns以下，拖尾更短，重点产品有6种型号。
7.5 IGBT功率模块
IGBT功率模块从复合功率模块PIM发展到智能功率模块IPM、电⼒电⼦积⽊PEBB、电⼒模块IPEM。PIM向⾼压⼤电流发展，
其产品⽔平为1200—1800A/1800—3300V，IPM 600A/2000V。⼤电流IGBT模块，有源器件PEBB采⽤平⾯低电感封装技术。IPEM采⽤共烧瓷⽚多芯⽚模块技术，组装的PEBB⼤⼤降低电路接线电感，提⾼系统效率。智能化、模块化成为IGBT发展热点。
编者简介：朱英⽂：(1939- )，⾼级⼯程师，现任北京京仪椿树整流器有限责任公司技术顾问，中国电⼒电⼦产业⽹特约顾问，主要研究电⼒半导体器件的设计、制造、应⽤中的热设计和电⼒半导体器件主回路结构设计。曾参与专业词典、书籍的编写、翻译等⼯作。主
要成果有：“⽆刷励磁发电机⽤旋转整流管设计和制造”，“晶闸管芯
⽚球⾯磨⾓⼯艺”“⼤功率半导体器件⽤散热器风冷热阻计算⽅法”等。
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