Neue Technologien bei Hochleistungs-IGBTs

IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) werden als Halbleiter-Bauelement in der Leistungselektronik immer beliebter, und zwar hauptsächlich wegen ihres riesigen Potentials, unterschiedlichste Anwendungen abdecken zu können. Um die IGBTs noch leistungsfähiger und kostengünstiger...

IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) werden als Halbleiter-Bauelement in der Leistungselektronik immer beliebter, und zwar hauptsächlich wegen ihres riesigen Potentials, unterschiedlichste Anwendungen abdecken zu können. Um die IGBTs noch leistungsfähiger und kostengünstiger zum machen, laufen umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten. Im Folgenden werden die neuesten Technologien für Hochleistungs-IGBTs sowie neue Prozesse und Design-Konzepte vorgestellt.

Die Nachfrage nach effizienten Steuerungen für Leistungswandler und Motorsteuerungen ist nach wie vor hoch und führt zu einer raschen Weiterentwicklung dieser Leistungshalbleiter durch entscheidende Fortschritte in den Design- und Prozesstechnologien.

Von den unterschiedlichen Leistungshalbleitern haben besonders die IGBTs aufgrund ihres riesigen Anwendungspotentials eine hohe Aufmerksamkeit als ein entscheidendes Halbleiter-Bauelement für die Leistungselektronik erregt. Bevor der Thin-Wafer-Prozess Anfang der 90er Jahre verfügbar war, basierten die IGBTs auf der PT-Struktur (punch-through). Diese Art von IGBT-Technologie erfordert zusätzliche Lebensdauereinstellungen der Minoritätsträger, um das Schaltverhalten zu verbessern. Ab Mitte der 90er Jahre kamen Trench-Gate-Strukturen bei den IGBTs zum Einsatz, die inzwischen ein gängiges Design für Hochspannungs-IGBTs unter 1200 V darstellen.

Kürzlich konnte durch die Kombination der Trench-Gate-Struktur und der Thin-Wafer-Technologie die IGBT-Leistung merklich verbessert werden. Infolge der Einführung von Thin-Wafer-Prozessen konnten der Leistungsbereich und das Anwendungsspektrum der IGBTs ausgeweitet werden. Mit der Thin-Wafer-Technologie und anderen Technologien haben sich die NPT-IGBTs (non-punch through) als Hochspannungs-IGBTs mit geringen Leitungsverlusten, einer hohen Schaltgeschwindigkeit, verbesserter thermischer Stabilität und einer ausgezeichneten Haltbarkeit durchgesetzt.

Darüber hinaus konnten mit dem FS-Konzept (Feld-Stop) bei den NPTIGBT-Strukturen die Vorteile der Thin-Wafer-Technologie sowie des PT-Prinzips (punch through) maximiert werden [1].

Abgesehen vom Kollektor ist die IGBT-Struktur mit einem vertikalen MOSFET vergleichbar. Der Ein- und Ausschalt-Status eines IGBT wird über die Gate-Spannung gesteuert. Wenn die Gate-Spannung höher ist als die Schwellenspannung, wird eine Inversionsschicht unter dem Gate gebildet, Elektronen bewegen sich vom Emitter in das Driftgebiet, so dass Löcher gleichzeitig in das n-leitende Driftgebiet von dem p-leitenden Kollektor injiziert werden.

Diese Injektion verursacht eine Leitfähigkeitsveränderung im Driftgebiet, so dass sowohl die Elektronenals auch die Lochdichte um einige Größenordnungen höher als in der Original n-Dotierung sind, was den niedrigen Leitungsverlust des IGBT während des Einschalt-Status ermöglicht. Bild 1 zeigt typische I-U-Kurven entsprechend den verschiedenen Gate-Spannungen. Höhere Kollektorströme fließen bei einer höheren Gate-Vorspannung.

Bild 7 zeigt einen Super-Junction-Feld-Stop-IGBT (SJFS). Für eine ideale Ladungsbilanzstruktur wird ein flaches elektrisches Feld-Profil benötigt, das eine deutlich höhere Durchbruchspannung gewährleisten kann. Entsprechend der theoretischen Berechnung können 1200-V-IGBTs mit Säulen bis zu ungefähr 70 μm Dicke realisiert werden. Durch eine Variation von Uce über die Steuerung der Kollektordotierungskonzentration lassen sich verschiedene Kompromisskurven numerisch generieren (Bild 8). Die Abschalt-Charakteristik von SJFS-IGBTs kann im Vergleich zu einem typischen FS-IGBT deutlich auf weniger als 20 μJ/A bei einer identischen Durchlass-Charakteristik verbessert werden. Außerdem sind wie bei typischen NPTIGBTs Leistungskompromisse entsprechend der Reduzierung von tSJFS möglich.

Der simulierte SJFS-IGBT zeigt eine Spannung Ucesat von 1,6 V und eine Eoff von 20 μJ/A bei einem Kollektorstrom von 100 A/cm², was als bester Kompromiss für diese Klasse betrachtet werden kann.