IGBT器件技术——氢注入场截止技术发展历程、技术及优势

时间： 2024-07-15 来源：阿基米德半导体公众号

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1、引言

随着电力电子技术的快速发展，功率半导体器件在电力转换和控制领域中发挥着关键作用。随着IGBT器件应用工况越来越严苛，对性能应用的效率越来越高，IGBT器件性能提升显得更为重要。

2、氢注入技术发展历程

针对IGBT性能提升进行了很多研究，注入半超级、超结IGBT器件的研究以及逆导型RC-IGBT的研究。本篇文章将对另一种提升器件性能的方式——氢注入场截止技术进行详细介绍。自2000年提出场截止技术后，IGBT常采用磷(砷)等施主元素实现n型掺杂来实现背面缓冲层结构，近几年氢注入工艺的出现，正在缓慢替代传统方式形成新的工艺主线。1970年第一次报道氢离子注入具有N型掺杂的效果，距今已有50多年，根据目前研究，氢离子注入形成N型掺杂的机理：当将磷原子和氢原子掺杂入硅衬底中时，磷原子以替位掺杂的方式在硅中，其费米能级移动到导带底附近，形成明显的N型掺杂，这与实际的磷掺杂硅显示N型导电性质一致。而氢原子以间隙掺杂的方式，存在于两个硅原子成的键之间，费米能级如磷掺杂一样也移动到了导带底附近，N型掺杂性质明显。二者在导带底范围内出现的电子可形成自由电子实现导电。图1展示了具有缓冲层的IGBT单元胞简图。

图1具有缓冲层的IGBT单元胞简图

3、氢注入工艺技术及优势

顾名思义，场截止技术是指IGBT器件纵向电场人为的在缓冲层边缘强行截止，耗尽层（电场）完全贯穿N-衬底，从而降低芯片厚度，达到降低损耗的效果。但是氢注入和磷注入形成的缓冲层结构差异巨大，由于氢离子体积轻，从器件背面注入时可被注入到深度约30um左右；而磷注入却只能被注入到近背面表面2-5um的范围。图2展示了不同注入方式下的度。

图2 不同注入方式下缓冲层深度

现阶段氢注入工艺主要分为：一重注入和四重注入，最后一层注入的深度要远高于其他三层。在器件开发过程中，对硅衬底中氢注入工艺进行了详细的测量，可以通过扩展电阻(Spreading Resistance Profile, SRP)的测试结果分析出载流子浓度分布、注入能量和峰值位置的关系、注入剂量和对应的峰值浓度等重要特征。如图3为氢注入和磷注入在IGBT器件中的载流子分布情况。

图3 IGBT器件中的载流子分布情况

如上对IGBT器件氢注入工艺进行详细介绍，下面重点介绍氢注入优势。从如图4波形上面可以直观观察到，在关断情况下，在保持良好的关断速度前提下，有效的抑制了Vcepk。同样的如文献1的研究，随着IGBT氢注入次数由四次降为三次或两次或一次，虽然能降低工艺制造成本，并且对反向漏电（Ices）、饱和压（Vcesat）、输入电容（Ciss）、输出电容（Coss）、反馈电容（Cres）、栅电荷（Qg）、开关损耗（Eon+Eoff）、反偏安全工作区（RBSOA）无明显影响，同时还能提升击穿电压（BV）和降低开通损耗（Eon），但会导致关断损耗（Eoff）增大。此外，随着IGBT的氢注入次数降低，关断峰值电压（Vpeak）似乎有增大的趋势。

图4氢注入IGBT和磷注入IGBT双脉冲测试波形

但是当前，氢注入仍只适应于击穿电压范围为600～1700V，并且芯片厚度小于200μm的IGBT。如何将氢注入应用到更高电压等级还需要长期的研究和探索。

4、参考文献

[1]刘建华,曹功勋,吴晓丽.功率器件IGBT氢缓冲层工艺及特性研究[J].集成电路应用,2023,40(06):57-59.DOI:10.19339/j.issn.1674-2583.2023.06.022.

[2]王思亮,胡强,张世勇,等.针对场截止型功率器件的多重质子注入研究[J].东方电气评论,2015,29(04):11-15.DOI:10.13661/j.cnki.issn1001-9006.2015.04.003.

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描述- 杰华特微电子成立于2013年，是一家快速成长的高性能模拟和数模混合半导体供应商。公司采用自有的先进工艺技术进行芯片设计和制造。公司拥有广泛的产品组合，涵盖DC/DC、AC/DC、线性电源、电池管理、信号链、显示、汽车电子等，应用范围涉及计算机、通讯、工业控制、服务器与数据中心、汽车电子、家用电器、消费类电子、照明等众多领域。

型号- JW1532N5,JW3663,JW3665,JWB19677BC,JW1123,JW1969D1,JW1120,JW19989A,JW19989B,JW5520S,JW1360,JW19989C,JW19976C,JW19988D,JW19988E,JWM9103A,JW15158I,JW16097,JW16098,JWH5123CH,JW15158D,JWQ7821,JW1125,JW7903,JW1969DC,JW5291PF,JW19976M,JW7806-2.85,JW7902,JW15158K,JW19975S,JWS22750,JW3651,JW1609E,JW5711,JW5710,JW3412,JW1969C1,JW15158B,JW19818CT,JW7111SA,JW5168BS,JW1532M5,JW19976A,JW19988B,JW19976B,JW19988C,JWH3515,JWQ7830,JWS29021,JW19975B,JW19975C,JW19987D,JW19987E,JWH3516,JW5712,JW5715,JW7806-2.75,JW5219P,JW19975M,JW5717,JW19975N,JW5716,JW3311-XXX,JW7921,JW1969C,JW1969A,JW7920,JW1386,JWH3530,JW4005H,JW19967A,JW19967B,JW19967C,JW15156E,JW15156F,JW5305F,JW7726H,JW5062TF,JW7823A,JWQ7843,JW15156D,JW1969O,JW1813B,JWS29001TA,JW5357HFM,JWS29001TB,JWB19673B,JWB19673A,JW5306F,JW19989E,JWQ7853,JWS29001,JWS29002,JW1969EC,JW3319,JW1160,JW7809-3.0,JW5523,JW1519B,JW1164,JW19957B,JW18226,JWQ5103CS,JW1822O,JW3313S-XXX,JW7115SA-1,JW3330,JWH7160A,JW5092H,JW7115SA-2,JW5092A,JW3332,JW5510,JW5513,JWH7924,JWH7917,JW16066,JWH7915,JWQ5103BS,JW19967M,JW7809-3.3,JWM9203FCL,JW7809-3.2,JW7809-3.1,JW196738C,JW196738D,JW3362,JW1180O,JW7809-2.85,JWM9123EC,JW1180E,JWH5513,JW3360,JW16033,JW1832O,JWQ5103AS,JW1965O,JW5292PF,JW5306,JW5305,JWQ7806,JWQ7924,JW1965BC,JWQ7809,JW1832D,JWQM93902,JWM9102,JW7830,JW5357HF,JW5535,JW7952,JWH7821,JW5169BS,JWM9220,JWH7823,JWH7822,JW18222,JW18221,JW3312-XXX,JWH7821A,JW1967EH,JWQ5513,JW1965AC,JW1518L,JW7809-4.0,JW1536NC,JW7809-4.5,JW5262CFM,JW5357HM,JWB19819,JWH7030,JWB19816,JW1539A,JW7726HAEC,JW5188CU,JW1882,JW19925A,JW5363HF,JW19925B,JW19925C,JW19876,JWB1981L,JW5711A,JW12558C,JW1539O,JW12558D,JW3701,JW3702,JW33708,JW12558A,JW3703,JW1965DC,JW1999A,JW1830D,JW1999B,JW5352HM,JW1964B,JW7115S-1,JW7115S-2,JWH5103AS,JWH6346A,JW1516A,JW5188DU,JW5352HF,JW19948E,JW3317-XXX,JW1516,JW5712A,JWH7160,JW1831D,JW1964D,JW5188DH,JW1964C,JW5361FM,JW1513A,JW5291F,JWH7295,JWH7294,JW5362HF,JW5186AU,JW19818C,JW5291P,JWB19818J,JWB19818L,JW5262CM,JW5701G,JW5701F,JW19853,JW5701E,JWQ3760,JW5701B,JW5262CF,JW5701A,JWH71522L,JW5186AH,JWH71522H,JWH7291,JWH7290,JW1965FC,JWQ6346A,JW4056A,JW1520AH,JW1538B,JWH7069,JW3360-XXX,JW5292F,JWH7067,JW5292P,JWH5123S,JW1530,JWB1992A,JWH5123P,JWH6344A,JWB1992B,JW1532BL,JW1962O,JW5062T,JWM9215AEC,JWB1992M,JW19925M,JW12557C,JW19925N,JW1962H,JW1962G,JWB1992N,JW5018XF,JWH7060,JW1965EC,JW1538NC,JWB1992S,JW7807-1,JW5293P,JWB1698D,JW1532AL,JW18066M,JW5061TC,JW19819L,JW5061TF,JWH5125CH,JW5703C,JW19836,JWS24285,JW1962BH,JWH5102C,JW5052C,JWH5102B,JW7726AD,JW5040C,JWH5102A,JW7726AC,JW3318-XXX,JWQ52992,JWQ52993,JW5173S,JWH5125S,JW1550,JW19928E,JW4054A,JW19818J,JW19818L,JW7726BL,JW1556,JW1962AH,JW12555B,JW77218B,JW77218C,JW7726BH,JW16638F,JWH5125C,JW19818T,JW5186A,JW16638D,JW5392H,JW5188AH,JWH5103BS,JW3760,JW5392F,JW1532Y,JW7111S,JW5188AU,JW12552B,JW19813,JW5066F,JW19818,JW5393C,JW1962DG,JW19819,JW1994A,JWH5103CS,JW1994B,JW1994C,JW5393F,JW1994D,JW5393H,JW3510,JW1572,JW1571,JW3410-XXX,JW3319-XXX,JW1994M,JW5520SA,JW5079A,JWB1536AC,JW18287E,JW18287D,JW19828,JW18287C,JW18287B,JWS24157,JW18287A,JW5188A,JW16979C,JW5079C,JW7222,JW7228,JW1996EG,JWM368H,JW5394F,JW7106,JW5031S,JW3412-XXX,JW9520,JWQ5103CSF,JW5040,JW7221,JW1531M,JW7806-4.5,JW5068A,JW5262C,JW18288E,JW5250A,JW5056F,JW18288D,JW7109,JW7807-2.8,JW18288C,JW7807-2.9,JW18288B,JW5068C,JW1962FG,JW1531B,JW7807-2.7,JW7807-2.5,JW7807-2.2,JWH5140,JW5262M,JW7211,JW5262L,JW7807-2.1,JW5371F,JW7221L,JWH5141,JW5250S,JW5393,JW5262N,JW5392,JW7806-4.0,JW1531O,JW5394,JW5069A,JW1568K,JW5059TC,JW1515HA,JW1520D,JWB18226,JW5069C,JW1962EG,JW1532B,JW5059TF,JW5057C,JW1556B,JW5033C,JW1556C,JW1532A,JWH5140F,JW5066,JW7124,JW7808-2.75,JWH5276,JW5372F,JWH5155,JW3362-XXX,JWM9106EC,JWH5156,JWM9203CL,JW5057S,JW5142P,JW7122,JW5065,JW1565J,JW7807-1.8,JW7807-1.5,JW5056,JWH5280,JW5361M,JW7112,JW7808-2.85,JW7113,JW7807-1.2,JWM367H,JWH6375,JW7118,JW5361F,JWH5042,JW5361H,JWH6374,JW15307,JW5292,JWH5046,JW5291,JWH7103,JW5058S,JW5393HF,JW5143P,JW7806-3.0,JW5293,JW7806-3.1,JWQ7065,JW7806-3.2,JW7806-3.3,JWQ71910,JWB1981S2,JWB1981S3,JWB1981S4,JWS29001CA,JWS29001CB,JWB1981S5,JWB1981S6,JW1566A,JW1962GG,JW16608F,JW1816,JW1962JG,JW1536AC,JW5362H,JWB1997A,JW5352HFM,JW5361HM,JWH7232,JW16066B,JW5393CF,JW16066C,JW7260,JW5361HF,JW19673C,JW5186CU,JW15329B,JW15329A,JW7265,JW7806-2.5,JWB1997M,JWQ5125A,JWB1997N,JWH71524H,JW7806-2.7,JW7806-2.8,JW1602,JW7806-2.9,JW1660B,JWB1997S,JW5363F,JW1609,JW1236A,JW5018YF,JW3902,JW1236B,JW3903,JWH71524L,JW1606,JW1962IG,JWH7241,JWM367,JWH5141F,JW1996HG,JWM368,JWM369,JW16803O,JW5363H,JWH6396,JW5070,JW5186DU,JW5071,JW15328A,JW7806-2.2,JW15158AS,JW15328B,JWQ5102A,JW5255A,JW7105B,JW5186DH,JWM362,JW5352M,JW7228P,JW5352H,JW7107S,JW7700A8,JW1681O,JW18222S,JWB1995B,JWQ29021,JWQ5102C,JWQ5102B,JW7806-1.8,JW7806-1.9,JW1985,JW1149H,JW3655E,JW1807BH,JWH5084,JW1962KG,JWH5083,JWS22251,JW5092,JW15326B,JW19698F,JW19698E,JW5093,JWQ5102CSF,JW7806-1.2,JW19698C,JWB1995SB,JW7806-1.5,JW5015A,JW1332C,JW1332B,JW5100A,JW5100B,JW1332A,JW1807CH,JWQM93902A,JW7809-1.2,JW19818JT,JWQM93902F,JWH5103CSF,JW1518HCD,JW1255O,JWQ5123

选型指南 - JW JOULWATT - 2024/6/24 PDF 中文下载

功率器件国产化率仅为 22%，汽车和工业领域的需求旺盛

功率半导体器件，也称为电力电子器件，主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件。新能源汽车是功率器件增量需求主要来源。国产替代需求强烈。功率器件国产化率仅为 22%，高端产品国产化率更低。要重视国内厂商的产品品类从低端向高端切换，产品下游应用领域优化以及晶圆产线的升级节奏。

行业资讯发布时间 : 2024-06-28

上海贝岭（Shanghai Belling）成立于1988年，是国内集成电路行业的第一家中外合资企业。拥有国家级企业技术中心，是国内集成电路产品主要供应商之一，目前集成电路产品业务细分为电源管理、智能计量及SoC、非挥发存储器、功率器件和数据转换器芯片等5大产品领域。

电源管理电路 DC/DC转换器 AC/DC转换器 LDO 电压检测芯片充电管理芯片电能计量专用电路驱动电路马达驱动烟雾检测电路实时时钟栅极驱动芯片继电器驱动接口电路模拟开关音频功放电路滤波驱动微控制器通用微控制器电机控制微控制器非挥发性存储器功率器件 MOSFET 沟槽型MOS 平面型MOS 超结型MOS 屏蔽栅沟槽MOS IGBT 数字隔离器线性隔离器

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ADG100N65LT5 650V/100A TRENCHSTOP IGBT

型号- ADG100N65LT5

数据手册 - 阿基米德半导体 - Rev. A7 - Oct, 2024 PDF 中英文下载

阿基米德半导体（Archimedes）总部位于合肥市，主营新能源汽车及光伏储能充电用SiC/IGBT芯片及模块，致力于成为双碳时代功率半导体中国领跑者。公司核心技术团队由中国科学院院士领衔，团队成员来自英飞凌、安森美、华为、Vincotech、三菱等国内外大厂。公司将持续专注于功率半导体在新能源赛道的应用和升级，为中国实现碳达峰、碳中和目标贡献自己的力量。

IGBT 单管三电平IGBT模块 Boost IGBT模块 PFC IGBT模块半桥IGBT模块汽车电驱IGBT模块 SIC mos管 IGBT功率模块 IGBT分立器件 SiC功率模块 SiC分立器件

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重庆平伟实业（Pingwei Industry）股份有限公司是一家集芯片设计、封测、应用与可靠性检测服务一体化的功率半导体IDM产品公司。主要产品包括MOS、SBD、SiC、IGBT、BJT、Power IC等功率半导体，以功率半导体器件为产业基础，面向智能终端、工业控制、物联网、新能源汽车、5G通讯、家电、卫星互联网、安全电子、绿色照明等市场领域。

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新锐半导体授权世强硬创代理产品，应用覆盖锂电保护/电源/逆变储能等领域

新锐半导体MOSFET种类齐全，产品已在消费电子、通讯、工业控制、汽车电子等领域广泛应用。

签约新闻发布时间 : 2024-10-24

纳芯微公司介绍

型号- NCA8244-DTSTR,NCA8245-DSWTR,NSI6602,NCA1051,NSI1312,NCA9617,NSI8308X,NCA8244,NSM2017,NSI6611X,NSM2018,NSM2019,NSM2013,NIRS485,NSI6801X,NCA8T245-DTSXR,NSM2015,NSM2016,NSD1624-Q1,NSI6601B,NSM2011,NSI6601C,NSM2012,NSI6651X,NSI6631ASC-DWSR,NSI36XX,NSI6601MB,NSI6801L,NSI6601MC,NSI1306,NSI824X,NSI812X,NSI8308XE,NCA1042,NSI6801T,NSI6801,NSI1305,NCA1043,NSI6622X,NSR35XXX Q1,NSM201X,NSE11409,NSM2020,NSL2163X,NSD8306,NCA8244-Q1TSTR,NSD8308,NCA3491,NSD1025X,NSI8308A,NSI86XX,NSI6651ASC-DWSR,NSI68010,NSI68011,NSI1303X,NSI6851X,NSI66X1X-Q1,NSM2035,NSM2031,NSM2032,NSI6801C,NSM2033,NSIP8308X,NCA8245-DTSTR,NSD1624,NSR31XXX Q1,NSI6801B,NCA8245L-DTSTR,NSI6811,NSD731X,NSIP88XX,NSI1400,NSI6931,NSI82XXC,NSD11416,NSI826X,NCA3485,NCA8541-DTSTR,NSD56008,NSI82XX,NCA8244L-DSWTR,NSM2041,NSI6651ALC-DWSR,NSL2161X,NSI319X,NCA9539,NSI6601X-Q1,NSI6611ASC-DWSR,NSR33XXX Q1,NSI821X,NIRSP31,NSG65N15A,NSD5604,NSD122X,NSI66X1X,NSI6911,NCA9646,NSIP89XX,NCA9645,NCA9648,NCA8244-DSWTR,NSD12409,NCA8245L-DSWTR,NSD2621,NSIP87XX,NSD1015,NSI810X,NSI6601MX,NCA8T245-Q1DTSXR,NCA1042A,NSI823X,NSI6601XM,NSI1311X,NSI6602V,NSD3608,NSI6602HC,NSI6601X,NSI6602HB,NSIP1042,TL432,TL431,NSM2111,NCA84245-DTSXR,NSD1025,NCA82DS44-Q1TSTR,NIRS31,NCA8244L-DTSTR,NSI1200,NSI1042,NSI6611,NCA9306,NCA1145,NSI6602HA,NSI822X,NSI1300X,NCA1021,NCA8244-Q1SWTR,NSI6601WC,NSD262X,NSI6602B,NSI6602C,NSI6602E,NSI1050,NSIP8XX,NSI6602A

商品及供应商介绍 - 纳芯微电子 - 版本：Q3, 2022 - 2022/12/14 PDF 中文下载

阿基米德半导体（Archimedes）IGBT分立器件/功率模块选型指南

目录- 公司简介 TO247封装产品功率模块

型号- AMGO75B65FPH3RB,ADH040N12HT5,AMG006L12P2C3RB,ADG075N65CT5,AMG006L12P2C3RA,ADG040N65HT5,AMG225L12L1H3RB,ADH075N12MT7,AMG375L65L1S5RC,AMG150L70P2H3RA,AMG200L12L1H3RA,AMG200L12L1H3RB,AMG100L65P2H3RB,AMG225L65F2S5RC,AMG950H75H1H3RA,ADG100N12BT7,AMG100L65P2H3RA,AMG200H12S1M3RA,AMG080L12F1H3RA,ADG050N12AT7,AMG450L65P4S5RE,ADH075N65FT5,AMG450L65P4S5FC,AMG400L12P4H3RA,AMG400L12P4H3RB,AMG300H12S1M3RA,ADG075N70CT5,ADG060N65BT5,AMG450L65P4S5RD,AMG450L65P4S5RC,AMG150L12L1H3RA,ADG050N65CT5,AMG225L65P4S5RC,ADG075N65FT5,AMG300H12E1M3RA,AMG300L12P4H3RA,ADG150N65FT7,ADG075N65BT5,ADG050N65KT5,AMG820H75H1H3RA,ADG100N65FT7,AMG600H12E1M3RA,AMG450H12E1M3RB,AMG300L65F2S5RC,AMG300L65F2S5RA,AMG300L65F2S5RB,AMG600H75H1H3RA,ADG100N12MT7,AMG150L65P2H3RB,ADG075N12MT7,AMG150L65P2H3RA,AMG600H12E1M3RB,ADG040N12HT5,ADG050N12HT7,AMGO80L12F0H3RA,AMG080L12F0H3RB,AMG450L65F2S5RC,AMG450L65F2S5RB,ADG040N12AT5,ADS080N12GT8,AMG300L65P4S5RC,AMG600H12S1M3RA,AMG160L12F1H3RB,AMG160L12F1H3RA,AMG450H12E1L3RA,AMG900H12E1M3RA,AMG375L65P4S5RC,AMG600H12H1H3RA,ADS040N12GT8,AMG450H12S1M3RA,AMG160L12F2H3RB,AMG160L12F2H3RA

选型指南 - 阿基米德半导体 - 2023/8/31 PDF 中文下载