IGBT技术的进步主要体现在两个方面:通过采用和改进沟槽栅优化垂直载流子浓度,利用“场终止”概念(也称“软穿通”或“轻穿通”)降低晶圆N衬底厚度。
此外,单片二极管IGBT的概念也经常被讨论。最早投入生产的反向导通IGBT,针对电子镇流器的应用进行了优化,被称为“LightMOS”。
挖沟机和遥控IGBT技术
在TrenchStop技术中,沟槽栅极结合了场终端的概念(见图1中的IGBT)。因为发射极(阴极)附近的载流子浓度增加,所以沟槽栅可以降低传导损耗。场终止的概念是NPT概念的进一步发展,包括在晶片背面注入额外的N掺杂层。
将场停止层与具有高电阻率的晶片衬底相结合可以将器件的厚度减小大约三分之一,同时保持相同的阻断电压。随着晶片厚度的减小,导通损耗和关断损耗可以进一步降低。场停止层的掺杂程度较低,因此不会影响背面注入的低掺杂P发射极。为了实现RC-IGBT,二极管的部分N掺杂背阴极(图1)将与IGBT集电极下方的P发射极结合。
RC-IGBT的trench gate概念基于与传统TrenchStop-IGBT相同的技术(见图2),但它针对软开关应用(如电磁炉或微波炉应用)所需的低饱和压降Vce(sat)进行了优化。成千上万的沟槽栅是用金属(铝)连接的,这也是连接区域。栅极和发射极之间的区域和端子嵌入绝缘亚胺膜中。投入生产的RC2-IGBT的沟槽门更小,比标准的沟槽门-IGBT多150%的沟槽门单元。图3是基于沟槽阻挡技术的第一代RC2-IGBT沟槽栅极的截面图。
超薄晶圆技术
因为开启电压和关断损耗很大程度上取决于晶片的厚度,所以需要制造更薄的IGBT。图4显示了英飞凌600/1,200V IGBT和EMCON二极管的晶片厚度趋势。对于新的1200伏RC-IGBT,120微米厚的晶片将是标准工艺。这需要复杂的晶片处理,包括正面和背面的特殊处理设备。薄化晶片可以通过晶片研磨和湿法化学蚀刻来实现。
新RC2-IGBT的优势
英飞凌新推出的RC2-IGBT系列产品基于成熟的TrenchStop技术,具有较低的饱和压降。此外,IGBT还集成了一个低直流电压的大功率二极管。
新RC2-IGBT的优势是为软开关应用优化的定制解决方案,如微波炉、电磁炉和感应加热电饭煲。与以前的设备相比,RC2-IGBT可以提高性能,减少饱和压降损失。这会导致整体损耗非常低,因此需要更小的散热器。另一个优点是结温提高到TvJ(max)=175℃,比普通IGBT芯片高25℃。该结温已通过TO-247无铅封装的应用得到验证。
在典型饱和压降Vce(sat)=1.6V@25℃/1.85V@175℃和典型直流电压Vf=1.25V@175℃(额定电流)的条件下,功率损耗(尤其是软开关应用中的传导损耗)可以大大降低。从IHW20N120R2下降时间的正切值可以看出高速——TF = 24 ns @ 25℃,RG = 30ω (44NS @ 175℃)。IHW30120R2在下降时间上表现优异:tf=33ns@25℃,RG = 30ω;175℃时tf=40ns
硬开关条件下,室温下175℃的结温和IHW20N120R2(IN=20A,Vces = 1,200V)和IHW30N120R2(IN=30A)的下降时间正切。