2007年5月号编辑大纲.DOC

IGBT/MOSFET功率半体技术探究 许国荣, 安森美半导体产品应用工程师 前言： 因应节能省碳之需要，各种省电环保之商品趁势变夯，其中太阳能产业是兵家必争之地。能够提高太阳能转换效率是各家大厂相较的重点之一，而各种标榜高效节能之元件是系统厂商极力追求之救星，其中高性能的开关元件，有如IGBT及MOSFET就是设计太阳能逆变器的关键元件，本题就以IGBT及MOSFET技术演进来做个探讨。 IGBT功率半导体技术探究 IGBT与N沟道 MOSFET的不同之处在於，N沟道MOSFET的基极性为N而IGBT的基极性为P，由IGBT的构造图可看出，IGBT是由N沟道MOSFE与PNP型BJT(Bipolar Junction Transistor)组合而成的。由第二代的穿透型平坦式(Punch Through Planar) IGBT先说起，当内部N沟道 MOSFET(Hole)从PNP 型BJT的射极注入 N沟道 MOSFET高压的MOSFET，漏极(Drain)的基材附生 层(Epitaxial)主宰了导通电阻的关键部份，无法大幅降低导通阻抗，而IGBT内的BJT是双极元件，可帮助降低大幅的导通电阻，也就是说它具有低的集射极导通电压Vce(on)。但是凡事很难两全其美，当此IGBT要关闭(OFF)时n-Epitaxial中的少数载子消失需要一段时间，产生托尾的电流(Tail current)，造成较大的截止能量损耗Eoff (Turn-off energy loss)，爲了改善此缺点，必须将晶圆做一些处理，有如在P基板及n-Epitaxial中间加入n buffer层或打电子射线(E-beam)丶质子(Proton)射线….，以减轻电流托尾问题。 第三代的非穿透型沟渠式(Non Punch Through Trench) IGBT，改善了第二代穿透型(Punch Through) IGBT截止能量损耗Eoff (Turn-off energy loss)大的问题，它的MOSFET部份改用沟渠(Trench)结构加上减少晶圆厚度以降低Rds(on)，但是工艺较为复杂不像Punch-Through型容易控制，并且以P注入层（p Implant）取代了厚厚一片的Ｐ型基板，整个晶圆厚度可减少约三倍左右。NPT型 IGBT以FZ (Floating Zone)方式制成n-矽结晶的基板，它可让少数载子在此区的停留时间变短，缩小Toff(Turn off time)时间，进而降低截止能量损耗Eoff (Turn-off energy loss)。另外，NPT型 IGBT因为是正温度系数，能够并联使用，容易做成IGBT模组(Module)，以供大电流场合使用。 　　第四代的场截止沟槽式(Field Stop Trench) IGBT，在P注入层(P implant)及n-Epitaxial中间加入场截止(Field Stop)层，截止(Field Stop)层的加入，帮助降低n-FZ (Floating Zone)基板的导通阻抗，让饱和电压Ｖce(on)比第三代NPT 型IGBT能够更低。 　 如图一所示，IGBT的设计，欲达到低饱和电压Ｖce(on)，往往无法达成低截止能量损耗Eoff (Turn-off energy loss)的目标，两者是互相抵触的(Trade off)，，现在各家大厂仍不断努力于技术革新，期盼能找出降低Vce(on) 及Eoff的方式，或则内建FRD(Fast Recovery diode)於IGBT内，改善二极体反向恢复特性，以减少损耗。以上仅就概念性的介绍，其实评断IGBT好坏，仍须注意短路(Short circuit)丶雪崩能量(Avalanche Energy)能力，导通能量损耗(Eon) 丶 上升时间(Trise)丶Soft 丶漏电(Leakage)丶并联特性丶耐用性(Robust)好坏…… 图一：饱和电压vs. 截止能量损耗曲线 MOSFET功率半导体技术探究 图二：高压MOSFET的电压vs.阻抗曲线 高压MOSFET中的Epitaxial层主宰了大部份的导通阻抗，它使用的材料丶内部设计的结构及工艺的方式也影响到整个导通的特性，拜Super-Junction技术之恩赐，高压MOSFET得以克服高电压会导致高阻抗的问题，如图二所示，采Super-Junction技术设计的MOSFET在很高的崩溃电压之下，能保有低导通阻抗(Rds.on)之优势。 图三是传统的Planar高压MOSFET结构图，它的特性会受到硅(Silicon)的先天限制，也就是说，设计MOSFET时，要让崩溃电压增加一倍，则Rds(on)会增为原来五倍，如此将增加大量的导通