IGBT 器件技术发展近况与展望

IGBT器件技术发展近况与展望 沈征湖南大学超大功率半导体中心 johnshen@ieee.org 2012年10月27日 2012电工论坛

提纲 • 功率半导体的应用与市场 • IGBT器件技术的发展历程 • IGBT电导调制效应的不断改善 • 高压特大容量IGBT的发展动态 • IGBT器件技术的未来展望 • 结束语

硅材料极限 功率半导体的应用与市场 100M 10M 1M 晶闸管功率水平[VA] 宽禁带半导体 100k IGBT BJT 10k 1k MOSFET 100 功率集成电路 1k 1M 100 10k 100k 100M 10M 开关频率[Hz]

功率半导体的应用与市场 2008年全球销售额 (iSupply）功率MOSFET、二极管、IGBT 分立功率器件2010年的全球销售额为141亿美元。(Yano及IMS2010市场报告）

功率半导体的应用与市场 2012电工论坛

电机传动和电力半导体的发展进程

IGBT器件技术的发展历程 整晶圆IGBT MCT器件 IGBT压接封装技术碳化硅IGBT 三菱开发电导增强型CS-IGBT IGBT理论极值预测 IGBT模块封装技术纳米IGBT 东芝开发IEGT即高压电导增强型IGBT 各主要厂商均开发出Field-Stop薄片IGBT 2010 所有主要功率半导体公司均开发出自己的PT-IGBT 沟槽栅IGBT 2000 西门子开发NPT-IGBT 东芝解决了Latch-Up问题 1990 GE和RCA率先研制成功PT-IGBT 1980

IGBT器件设计优化考虑 IGBT关断过程 IGBT开通过程

中压IGBT器件技术的发展 Shen & Omura, Proceedings of the IEEE, April 2007

电场终止型(Field Stop)薄硅片技术 Shen & Omura, Proceedings of the IEEE, April 2007

1200V薄硅片加工技术的发展 2008 100m 2001 128 m 1999 185m 1995 300m J. Vobecky, ISPSd2008

IGBT性能指标的改善历程 单位面积等效电阻RDS(ON)=饱和压降/电流密度 1200V IGBT @125oC RDS(ON) (mΩ-cm2) EOFF ~ 0.1mJ/A , Vcc= 600V

中压IGBT器件技术的发展前景 • 器件设计理念日趋成熟 • 加工工艺和加工成本还有一定的发展空间 • 器件性能和可靠性起决定因素 • 器件的具体电路应用有相当的研究空间

提纲 • 功率半导体的应用与市场 • IGBT器件技术的发展历程 • IGBT电导调制效应的改善 • 高压特大容量IGBT的发展动态 • IGBT器件技术的未来展望 • 结束语

IGBT电导调制效应的不断改善 过量载流子分布 N- 理想PiN二极管 N+ P+ 高阻瓶颈区 N- P+ 常规IGBT N- 改进后的IGBT P+

高压特大容量IGBT的市场需求 • 3300/4500/6500伏，500-5000安培 • 电压源型逆变器（取代GTO或IGCT）：中压变频器、风电和输配电系统的市场空间新投产的热轧钢生产线数量（来源：东芝三菱2012年）

高压特大容量IGBT的典型电路 • H桥级联 • NPC多电平换流器 • IGBT串联使用

高压特大容量IGBT的应用 （来源：ABB）轻型直流输电、柔性交流输电和特大容量电压源型变频器系统的核心器件输变电、新能源发电、电能质量控制，工业电机节能、轨道交通、冶金、化工等领域中新的战略增长点 SPEED2012

硅材料极限 高压特大容量IGBT的发展方向 100M 10M 1M 晶闸管特大容量IGBT 功率水平[VA] 宽禁带半导体 100k BJT 10k IGBT 1k MOSFET 100 功率集成电路 1k 1M 100 10k 100k 100M 10M 开关频率[Hz]

特大容量IGBT主要技术瓶颈难题 • 目前IGBT芯片尺寸<2cm2，单管额定电流<150安培。IGBT晶圆对单点缺陷的敏感度远大于晶闸管。 • 目前通用的多芯片并联的·IGBT模块受散热和芯片间均流等因素限制，其导电流能力（特别是承受过电流能力）远不及晶闸管。 IGBT化整为零再化零为整的制造方式晶闸管整晶圆的制造方式

整晶圆IGBT的设计与制造概念 湖南大学发明专利2011年5月湖南大学和合作单位正在开发世界上第一只4英寸整晶圆IGBT

整晶圆IGBT主要技术优势

IGBT器件技术的未来展望 • IGBT性能的理论极限 • 纳米IGBT • IGBT载流子分布控制 • 超级结IGBT • 整晶圆IGBT • 宽禁带半导体IGBT

未来展望：IGBT性能的理论极限 （A. Nakagawa 2006）

未来展望：纳米IGBT结构 （M. Sumitomo, 2012）

未来展望：超级结IGBT 1200V IGBT 仿真结果（K. Oh et al 2006）

未来展望：IGBT载流子分布控制 • 最优载流子空间分布？如何实现？？？？？？？ N- P+

未来展望：整晶圆IGBT发展前景 • 轻型直流输电、柔性交流输电和特大容量变频器系统的核心器件 • 有望开发真正自主知识产权、国际领先的IGBT技术，实行跨越式的进步 • 尽管目前市场额较小，有望成为IGBT技术领域中最有前景的增长点 SPEED2012

未来展望：碳化硅IGBT • 15000V，24 mΩ-cm2， 4H-SiCP-IGBT • 12500V，5.3 mΩ-cm2， 4H-SiCN-IGBT （Cree 2012） SPEED2012

结束语 • IGBT技术领域尚有极大的创新空间 • 电力电子技术与电力半导体技术的有机结合会带来系统性能大幅度的提高（1+1>2) • 电力电子技术的研发者不应只局限于使用市场上现有的产品，而是应该和器件研发团队共同开发“器件/线路/系统”整体创新方案，共同冲击世界先进水平

欢迎同仁们的合作 • 湖南大学超大功率半导体中心以支持中国电力电子企业发展，开发世界首创或世界一流具有真正自主知识产权的电力电子器件和系统应用技术为主要目标。目前拥有150平米洁净器件工艺实验室和250平米新器件创新应用实验室并且与多个国内外企业、高校、研究所建立了实质性的合作关系

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