日本九州工大：用新型微細構造將IGBT電流密度提高一倍

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【日經BP社報導】矽/硅（Si）功率元件雖然價格便宜，但性能方面的上升潛力比以前要小了。其中，在600V以上耐壓下使用的IGBT，其性能的改善和提高量產性開始遭遇極限 注1）。在性能方面逐漸觸頂的方面是如何降低導通電阻和提高電流密度。量產性方面，也難以採用直徑超過8吋的矽基板。

（日本九州工業大學供圖）

注1）耐壓在600V以下時，大多採用功率MOSFET。而在功率MOSFET中，採用Super Junction構造來提高性能的趨勢愈發明顯。

所以可降低導通電阻、提高電流密度、採用SiC和GaN的功率元件的研發愈發活躍。不過，目前與矽相比大都還缺乏量產性，價格也較高。

有望解決功率元件業界這種窘境的方案出現了。這就是日本九州工業大學研究所工學研究院電氣電子工學研究系電子元件部門教授大村一郎的研發小組提出的IGBT微細化構造。

累積載流子密度得到提高

此前業界認為IGBT無望通過微細化大幅提高性能，所以一直未太關注。

IGBT從n型基極層（漂移層）上方（發射極和柵極側）湧入的電子越多，n型基極層的累積載流子密度就越高、電阻成分就越小。不過，如果隨著微細化增加IGBT的MOS柵極部分單位表面積的通道數量，那麼從n型基極層流向p型基極層的正孔就會增加，流入n型基極層的電子數量會相對減少。所以，累積載流子密度會下降、電阻成分會增加。

此次，新構造只對IGBT的主要部進行了微細化，沒有改變柵極部分的通道數量（圖1）。由此，可以抑制向p型基極層流入的正孔，增加IGBT的n型基極層中累積的載流子密度、提高電流密度。估算後發現，夾在溝槽柵（Trench Gate）之間的臺面部分寬度（以下稱為臺面寬度）從3μm微細化至0.6μm後，在集電極（Collector）與發射極（Emitter）間電壓相同的情況下，電流密度提高約一倍。

圖1：使主要部分實現微細化，以提高電流密度         九州工業大學提出了只使IGBT主要部分實現微細化的方法（b）。估算後發現，實現微細化後IGBT內的累積載流子會增加、電流密度會提高。（圖由本刊根據九州工業大學的資料製作）

製造方面有兩個好處

大村認為，採用新構造後可以提高生產效率。原因是隨著微細化的實現，IGBT表面的雜質層會變薄。比如，將臺面寬度由3μm降至0.6μm後，雜質層的厚度將從約6μm降至約1.2μm。薄型化將給製造方面帶來兩個好處。

一是大直徑基板的使用更容易。IGBT中使用的矽基板（晶圓）的直徑，最大約為8吋（200mm晶圓）。而通過此次構造實現微細化後，就可以省去在增大直徑時會成為障礙的熱擴散爐，因此容易向口徑約為12吋的300mm晶圓過渡。如果雜質層的厚度在1μm左右，那麼「可通過離子注入來形成表面構造」（大村）。

另一個優點是雜質層形成所需要的熱處理程序會縮短（圖2）。大村還認為，除了縮短熱處理程序需要的時間外，整體的程序數量也會減少。

圖2：通過雜質層的薄型化來縮短製造程序         表面雜質層因IGBT的微細化而變薄。由此，旨在設置雜質層的熱處理程序變短，可以按照背面、表面的順序製造IGBT。原來由於雜質層較厚，因此要按照表面、背面、表面的順序製造，程序較多。（圖由本刊根據九州工業大學的資料製作）

原來主要經過三個程序。首先是需時較長的形成表面雜質層的熱處理程序，然後是需時較短，在背面形成較薄雜質層和電極的的熱處理程序。最後在表面製成IGBT。在背面程序之前進行表面程序的原因是，使背面部分不會因長時間的熱處理程序而出現劣化。如果雜質層變薄的話，就不需要較長時間的熱處理程序，因此可以簡化為背面程序和表面程序兩個程序。

誤操作的可能性加大

微細化的優點，目前只能通過模擬進行驗證。不過，已經確定了可以試製IGBT的設計參數。據悉，對於確保耐壓較為重要的終端部分設計也已有了眉目。

實用化時的課題之一是柵極電壓會變低。因此，因電磁干擾而出現誤操作的可能性加大。所以，在試製IGBT的同時，今後還要改善柵極驅動電路和佈線等控制技術。

此外，功率元件用大口徑基板的開發也不可缺少。基板廠商中也出現了著手開發大口徑基板的企業。比如，Global Wafers Japan正在致力於開發口徑超過8吋的功率元件用矽基板。（記者：根津 禎，《日經電子》）

http://big5.nikkeibp.com.cn/news/semi/64896-20130226.html?ref=ML&start=0

IGBT中文名稱是絕緣柵雙極電晶體.主要用於電力工程.