IGBT从PT到FS,未来的路将走向何方

日期：2021-09-01 07:49:10　

从PT到FS，未来的路将走向何方？——IGBT背面结构变迁

IGBT的背面结构，主要包括集电极（发射机）、缓冲层以及漂移区，决定了器件的导通压降、关断损耗以及耐压，同样制约着器件的鲁棒特性，其重要性不言而喻，但在过去IGBT近35年的发展历程中，背面结构经历了哪些变迁？未来又会向何处发展呢？

1 发展正当时未来或可期

写在文首：简写介绍，PT-IGBT：punch through IGBT，即穿通型IGBT；NPT-IGBT：Non-punch through IGBT，即非穿通型IGBT；SPT-IGBT：soft punch through IGBT，即软穿通型IGBT，由ABB提出； FS-IGBT：field stop IGBT，即电场截止型IGBT，由Infineon提出；LPT-IGBT：light punch through IGBT，即轻通型IGBT，由Mitsubishi提出；其中SPT、FS、LPT其实质均是在p+集电极与n漂移区之间增加n缓冲层，优化Vcesat与Eoff之间的折衷关系，只是各家的叫法不同。

在IGBT的发展史上，NPT型IGBT早于PT型IGBT被发明出来，但是由于更容易制造以及更低的导通压降，使得PT型早于NPT实现量产。直到1989年第一个采用FZ硅的NPT-IGBT出现，才渐渐的将外延硅取代（FZ硅的价格约是外延硅的一半）。而后NPT-IGBT统治了IGBT器件近10年的发展，直到2000年FS结构的出现。为了进一步提高功率密度，在2003年出现了将IGBT与FRD集于一体的RC和BIGT等新型结构（见下文详细介绍），但这些结构均是基于FS而来。面向未来，IGBT芯片背面结构将会呈现三大趋势：一是：晶圆尺寸更大，即晶圆的尺寸由8寸逐渐过渡至12英寸，以降低成本；二是，材料更新，即大量新材料的使用，如MCZ硅、以及以SiC/GaN为代表的WBG（宽禁带半导体）材料；三是，损耗更小，为了满足更低损耗的要求，以RC和超薄片为代表的新结构逐渐崭露头角[1]。

2 NPT为什么取代PT结构？

NPT型结构取代PT型结构的主要原因有三个[2,3]：

一是，成本。PT型结构采用外延片，即以p+为衬底，在其上外延一层n型层，然后在n型层上通过光刻、刻蚀、注入、扩散、成膜等一系列的工艺，形成芯片的结构，在IGBT发展的早期，IGBT的电压等级较低主要在600V以下，而随着应用需要的需要，更高电压等级的IGBT应运而生。而电压等级的提高意味着外延层厚度的增加，外延层的增加意味着成本的急剧增加，这对1700V特别是3300V 及以上的芯片大规模量产而言是不可接受的。于是乎采用区熔硅技术的NPT结构便闪亮登场，根据表1，采用FZ的NPT型芯片，晶原的厚度约减少一半，使得芯片整体的成本降低约50%；

二是，导通压降。制约着IGBT向高压发展的一个重要因素就是随着电压等级的提高，导通电阻也会急剧增加，而降低导通电阻一个最为直接的办法就是降低芯片的厚度，而采用NPT代替PT正好满足了这一要求（1200V NPT型芯片的厚度约是PT型50%）；

三是，温度特性。由于PT型IGBT采用了寿命控制技术，使得器件具有负温度系数，这一点使得器件无法并联使用，这就限制了IGBT在大功率密度场合的应用，例如轨道交通。而NPT型IGBT未采用少子寿命控制技术，器件具有正温度系数，因此，使得器件可以并联使用，可以应用于高功率密度的场。

3 FS为什么取代NPT结构？

时间来到了2000年前后，由于1200V和1700V，特别是1200V产品在工业（UPS、电磁炉）和轨道交通（地铁、城轨）中的大量应用，使得这两款产品成为各大厂商争夺市场的重点。然而，在这些应用，特别是在UPS和电磁炉等工业应用中，器件工作的频率往往超过20KHZ，需要进一步降低器件损耗（包括导通和关断损耗），而无论是PT还是NPT型结构均已无法满足这一要求，除了正面采用沟槽栅结构，背面的结构是否也可以进行优化呢？答案是肯定的，方案就是在p+与n漂移区之间增加缓冲层，即FS或SPT或LPT。与NPT结构相比，采用FS结构的IGBT厚度可以进一步降低，使得导通压降和关断损耗降低，从而进一步降低器件的损耗[3,4]。

表1 PT、NPT、FS比较