具有高温工作能力的1700V SPT+ IGBT和二极管芯片组

1简介

过去几年，功率半导体的发展趋势，主要集中在对给定的应用提高功率密度。但当考虑到工作时的总功耗、安全工作区容限和允许的最大结温时，这种性能指标受到挑战。随着最先进的IGBT正慢慢接近损耗降低的极限，提高最大结温已成为当今功率器件开发的主要动力之一。由于热流跟温差成正比，如果半导体器件允许的结温更高，将为产生的热量提供更好的传导，进而增加给定器件面积的功率密度。

从2005年开始，平面SPT+技术已成功引入到从1.2kV到6.5kV不同的电压等级中^[1][2]。本文将介绍一种改进了的1700VSPT+芯片组。其研发应用于额定值3.6kA/ 1700V HiPak2模块封装，且指定工作结温为T_j=150℃。SPT+技术可使导通损耗减小，加之它具有比25℃更高（可能是125℃，疑误—译者）的温度承受能力，故同当前典型的水冷应用的SPT一代相比，新型的1700V SPT+IGBT模块在频率从250Hz变化到1000Hz时逆变器输出电流增加了20％，如图1所示。

图1逆变器输出电流随开关频率变化：1700V SPT与SPT+HiPak2对比2 1700V SPT+高温芯片组技术

2.1 SPT+高温IGBT技术

同原始的平面IGBT元胞相比，SPT+技术的主要优点是在减小导通损耗的同时，保留了具有相同开关控制能力的SPT（软穿通）纵向设计。上述优点的实现，是通过在IGBT MOS单元的P－well周围引入一个N型增强层来实现的，如图2剖面结构所示。增强层增大了IGBT阴极端的载流子浓度，因此，在没有显著增加关断损耗的同时使导通压降降低。N型增强层的杂质分布形式是仔细优化了的，以避免任何对SPT+IGBT的关断安全工作区及耐压能力的负面影响。1700V SPT+IGBT的最终设计将胜过具有相同面积的以往SPT产品，它的导通损耗更低而关断损耗与SPT相当，可多承受20％的电流。

为确保在T_j=150℃时能可靠工作，引入了一种基于偏置环概念^[3]的新型终端设计。这里环的互连是通过一个半绝缘层来实现的，正如剖面图2所示。同基于结终端扩展概念的以往产品相比较，已证明，这种终端设计在能提供更窄的漏电流分布的同时，不受内部环间距变化和界面态的影响。已获得一个非常好的耐压能力和反向漏电典型值，这将确保器件在1700V、温度高达165℃、R_th=1.2kV时稳定工作。

图21700V SPT+IGBT元胞及终端示意图

图 31700V SPT+二极管示意图及载流子寿命分布图

2.2 SPT+高温二极管技术

图3显示了一个SPT+二极管的剖面图。SPT+二极管采用了与标准SPT技术相同的设计，即利用了一个重掺杂P+发射极。通过利用局部和整体载流子寿命控制，二极管中等离子体的分布符合低正向压降和软反向恢复要求^[4]。局部寿命控制是通过质子（H+）辐照代替前一代二极管产品中所应用的氦（He++）辐照而得到的。已经证明这种技术可有效减小复合能级的产生率( 它决定着耗尽层载流子的产生)，因此,使高温下漏电流显著减小^[5]。优化了硅设计和终端设计，以提供更高的阻断容限。

3 1700V SPT+ 高温芯片的性能

为应用于1700V HiPak2模块中，对这种芯片组进行了特殊优化。1700V HiPak2模块的额定电流值为3.6kA，适用于T_j=150℃工作。由于综合了大电流和大寄生电感，这种应用对软而可控的开通，关断转换要求很高。因此，将从芯片和模块级测试，讨论芯片组的静态和动态特性。

3.1静态特性

图4给出了T_j=150℃时不同栅压下，1700V SPT+IGBT芯片所测得的通态曲线。标称电流下典型的通态压降（V_CE，on），在T_j=125℃时为2.95V，T_j=150℃时为3.1V。从低电流开始，SPT+IGBT的通态压降（V_CE，on）就表现出强正温度系数。它保证了有同模块中各芯片间电流的良好分配。如图5所示，结温为T_j=150℃时，测得的1700V二极管典型正向电压为2.15V。在标称电流一半处，二极管（导通压降）也表现出了正的温度系数。这是优化局部载流子寿命分布的结果。在标称电流下，工作在室温和125℃时的压降差为250mV，这也确保了芯片并联时的安全。正如图6看到的，高温反向阻断下，与之前的SPT二极管工艺平台相比，二极管的漏电流减小了两倍多。

图4在T_j=150℃时不同的偏压下，1700V SPT+IGBT通态曲线

图5不同温度下 1700V二极管芯片正向特性

3.2标称条件下的开关特性

为了说明这种新的1700V SPT+芯片组能够应用于高温和大电流情形下，测量了1700V HiPak模块T_j=150℃的开关曲线。图7所示的关断曲线是在标称下测得的，即I_C=3600A、V_CE=900V。在本测试中，模块的关断测试采用R_G，OFF=0.6Ω，L_S=60nH，电压上升率为3000V/us。优化N基区与SPT缓冲层的结合，允许集电极电流缓慢的衰减，保证了关断过程软，没有过高的电压尖峰或振荡。图8给出了相同条件下的开通波形。平面SPT+元胞的输入电容小，允许IGBT电压在开通瞬间迅速下降。由于SPT+二极管的低损耗，典型的开通损耗值为1.25J。