IGBT器件技术——氢注入场截止技术发展历程、技术及优势

2024-07-15 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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MASPOWER(麦思浦)IGBT/MOSFET/FRD模块/AC-DC电源转换器/IC选型指南

描述- 公司专注于电压800V—4700V超高压MOSFET细分领域系列化开发,解决客户缺芯问题, 主要服务工业电源,光伏储能,仪器仪表,医疗电源,国网电力电源等行业。

型号- ESTF75SS120US,MS18N20FD,ESTF80D40U,MS10N100FB,ESTF15SS60UD,MS24N80HCE0,ESTF15SS60UC,MS10N100FA,ESJ75SH120AN,ESTF8SS80RM,EST120BN40SN,MS8N100FS,MS9N120HGT0,MS8N100FT,ML0841DR,MS10N100FS,MSG100D350FH,ESTF15SS60UP,OP37,MSG50N350FH,MS7N80HGD0,MSG50N350HLC0,MSC393F1,74HC595,MS18N20FT,ESQ100QN60SN,LM324N,MS100N20HGC0,MS40N25HGE0,MS9N150H2,MS20P06FD,MS9N150H1,ESTF75D60FB,ESTF30SS12XI,ESTF10D20SR,MS20N100HGC1,ESTF15SS60SC,MS60N60HGB3,MS20N100HGC0,OP200,MS1N450HGC5,MS1N450HGC4,ESG100QN60SN,MSG25T120FQC,MS160N03FDT,ESTF80N60UB,EST60BN120SN,ESTF8SS195UP,MS7N80FCD,MS8N100FE,MS8N100FC,MS60N60HGC1,MS8N100FA,MSG50T65FQC,MS8N100FK,MSG40T65HHC0,MSG40T120FQC,MS4N1350,MS65N070DD1,UC2844AN,MS100N06HDD0,MS3N100HGB2,MS170N25HGF4,MSG100T65HLB3,MS12N165HGC0,MS210N085FTD,ESTF30SS20SI,OPA2277,OP90,MS60N350DD1,ESTF40D30U,OP77,MS10N100HGE0,MS3N100HGC0,MS20N85ICT1,ESD150PC120SN,MS7N120HGE0,MS20N85ICT0,OP497,ESTF60D20UE,MSG100T65HLC6,MS12N150HGC0,MS12N150HGC1,MS9N170HGC0,MSG100T65HLC1,MS9N170HGC1,MS40N65FCC,ESC150PC60S,MS12N100FT,MS3N100HGD1,MS3N100HGD0,MS12N100FS,ESTF8SS120C,ESTF8SS120D,MS12N100FE,MS24N50FB,MS5N100FD,MS5N100FE,MS15N165HGC0,ESTF8SS120P,MS12N100FC,MS12N100FA,ESD4204,ESTF8SS120S,MS4N120HGD0,MS10N100HGC0,UC3140BN,MS15N150HGC0,MS15N150HGC1,MS50N100HGF4,MSG100D350FHS,ESTF80D33U,MS3N100HGE0,MSG75D65HFC0,MS26P20HGC0,ESD200NC60K,ESG80QN60SN,UC3140BD,ESD150NC60K,MSG15T65FL,MSG75T65HHC0,ESB150NH60SN,MSG75C65HHC0,MSG15T65FLE,MS15N100HGC0,MS120N03IDD0,MS2N100HGT0,MSG160T65HLC1,ESTF45D60U,MSG15T65FLT,MS18N50FB,MSG50T120FQW,MS5N100FT,MS6N100FA,PWM1220YBN,MS35N120HGF4,MS15N100HGB2,MS100N20IDT0,ESTF60D33U,MS6N100FE,MSG30T65HHT1,MS6N100FC,MSG50D60HLE0,ESTF50SS135US,MS17N060FD,MS6N100FS,MS6N100FT,MS10N120HGC0,OP282,ESTF25D60U,MS8N120FT,MS8N120FS,MS120N08FT,ESC100NS120SN,MS3P03HDF3,MS5N170HGB2,ESTF100SS60S,MS12P060FT,ESTF100SS60U,ESJ100SH60N,ESQ150QN60SN,MS5N200HGC0,MSG75T65HFC0,MSG70T170HLB3,MSG75T65HFC6,ESTF30SS120U,LM3580DR,MS10N120HGE0,MS15N170HGC0,ESC100PC60SN,MS10N40HGT0,ESC100PS120SN,ESTU30Q60SN,MSC339F1,EST100BN120SN,MS90N25HDT0,MS8N120FE,MS8N120FC,ESTF30SS120C,MS150N25HGC0,ESD150PC60KN,MSG15T120HLC0,MS24N20FDT,MS4N1350W,ESTF60D33E,MS4N1350T,MS4N1350S,MS28N20HGT0,MSG80N350FQC,ESTF45H120UU,UC3525ADW,MS180N10FC,MS200N20IDC0,MC3846ADW,ESTF60D20U,ESTF60SS120US,MS4N250HGC0,MS24N20FDE,MS4N1350E,ESTF60SS40SS,ESJ100SH60AN,MS6N120FD,MS15N120HGC0,MS6N120FC,OP07C,MS9N150HGC0,MS4N350HGC0,MS15N120HGC1,MS6N120FT,MSG06T65FLD,MS6N120FS,ESTF25D20SB,MS6N120FE,MSG60T65HHC0,MS210N075FE,MS170N65HGF4,MS3N200HGC0,ESTF30SS60SE,MS30N90ICE0,ESTF20D20SB,MS2P06HDF0,UC2844,MSG50T120FHW,PWM820F,ESTF30SS60SC,MS9N150H,MS5N250HGC5,LF356,MC3846AN,ESTF30SS60SS,ESTF75D60U,MS50N20FC,MS9N120HGE0,MSG120T65HLC1,MC34063ADW,ICL7135MU,MSC431F1,MSG120T65HLC6,MSG120T120HLC1,ESB100NH60SN,ESD200PC60KN,AD620,MS20N65FCC,MS20N65FCE,AD623,MSG100T120FQW,MSG120T120HLB3,ESB150NH40SN,ESTF60SS160US,PWM834F,UC3845BD,PWM858F,MS9N20FD,MS8N80FS,MSG75T120FQC1,MSG20T120HLE0,MSG40T65HPC0,MS50N65FC,MS38N65FCC,MS33N10FT,MS65N065DD1,MSG80N350HLC0,MS12N120HJC0,MSK2225,MS40N25HGT0,ESTF75D60UC,MS30N95HGC0,MSG60T65HFC0,MS140N30HGB3,MSG200T65HLC1,ESD150NC60KN,ESD150NS60K,MS4N400HGC4,MS10N100HGT1,MS160N080FDT,MSG30T120FQC,LM3241DR,MS5HB06NB,ESTF20D30SU,UC3844AN,MS7N120HGT0,MS13N20HGD0,MS50N85IDC0,MS25N85ICE0,MSG50T65HHC0,MS3P02FBF,UC3845BN,MS20N85ICC0,MS100N20FC,MS2N3660,MS18N100HGC0,MS30N90ICC0,ESD200PS60SN,ESTF15SS120S,UC3843BD,MS4N120HGT0,MS170N15IDC0,MS3N100HGT1,MS3N100HGT0,ESTF60SS60US,MS120N10FE,ESD150NS60SN,ESTF80D60UB,MS140N30HGC0,MS1N470HGC0,ESC100NC60SN,MS1N470HGC5,MSG60T120FQW,MS120N10FT,OPA2604,ESD200NS60S,ESTF15SS120C,ESTF15SS120E,MS33N20HGC0,MSF18N65,MS2N100HGD0,MS60N06HGB0,MS30N100HGC0,MS340N07HGF4,MS30N100HGC1,MS290N10HDC0,MS10T60HLC0,MSG50N350FQC,MSG80N350FH,PWM815Y,MSG80N350FL,MSG100T65HLF4,MS100N20IDC0,MSG20T65FQC,ESF30SS120U,MSN4686,MSN4689,UC3525AN,MSN4688,MSG15T120FPE,MSG15T120FPC,MSG15T120HLT1,ESF30SS120C,MSG20T65FQS,MS1N400HGC0,ESC150NC60S,MS30N50HGC0,MS5N100,MS2N200HGC0,EST75BN60S,MSG80T65HHC0,MS37N90ICC0,MS30N06FD,MS53N065FDT,MSG120T65HLC1V,MS20N85FCS,MSG30T65FT,MSG30T65FS,MS8N90ICD0,MS15N100HGT0,MS15N100HGT1,MSG200T65HLB3,MS20N85FCC,MS50N06HDT0,ESB100NH40SN,MSG100T100FLN,MS170N15IDF4,MS25N50FB,MS100N04HDT0,MSG80N60FQC,MSF18P65,MSC75176F1,MS120N25HGC0,ESTF45H180UU,MS1N200HGC0,PWM1018YBN,MS2N450HGC0,ESD150PS60SN,ESA300BN60SN,MSG75T120FQW,ESD150NC120SN,MS2N300HGC0,MS120N15FB,MS90N25HDE0,MS120N15FE,MS2N470HGC5,MSG75T65FQC,MS3N06FF,MS5N170FC,ESTF15SS135UC,MS12N120HGC0,MS120N15FT,MS1N350HGC0,MS6N150HGC0,MS20N60FC,MS20N60FB,MSG40T65FL,MS10N120HGT1,MS12N170HGC0,MSG80D60FLC,OP27,MSG100T120FQC1,MS20N50FS,OP400,EST100BN60SN,MSG100T100FQW,MS6N150HGB2,MS5N100S,ESTF90D20XU,MSG30D120FLB,PWM825Y,MS12N170HGC1,ESJ100SH120AN,LM4558,EST75BN120S,OP2177C,ESTF8SS60UC,MS1N250HGC4,MSG30T65FQC,UC3844,ESTF90D20XB,MS1N250HGC0,ESTF10D60US,MS2P1230,MS200N04FE,ESTF100D60SU,MS18P10FE,PWM812Y,MS05N250HGE0,MS2N400HGC0,LM358P,ESTF75SS135US

2024/6/5  - MASPOWER  - 选型指南 代理服务 技术支持 现货查询 批量订货

车规级SiC/IGBT厂商阿基米德半导体授权世强硬创代理,助力碳中和

阿基米德半导体1200V 75A IGBT芯片综合损耗超过国际友商IFX3代产品20%、6代产品15%;1200V 60A FRD芯片的反向恢复特性优于国内友商20%。

2024-01-04 -  签约新闻 代理服务 技术支持 现货查询 批量订货

IGBT器件短路分类、过程及设计

IGBT作为电力电子领域普遍应用的功率半导体器件,短路能力是其重要的技术指标之一,SCSOA 指的是短路安全工作区,用来描述器件的短路鲁棒性。在实际应用中,负载短路的情况下,器件在短时间会同时承受大电流、大电压。

2024-09-13 -  技术探讨 代理服务 技术支持 现货查询 批量订货
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