為滿足電動汽車的功率需求，牽引逆變器中一般使用多芯片并聯的功率模塊。然而，多芯片并聯會帶來并聯芯片間電流分布不均，回路雜散電感增大和散熱效率下降等問題；同時，受到封裝尺寸的限制，現有技術下標準模塊的功率很難得到有效地提升。因此，亟需通過提高單個芯片的電流密度，來實現模塊功率密度以及模塊電、熱性能的綜合提升。

表 電動汽車IGBT芯片大電流密度、低損耗優化技術匯總

實現電動汽車 IGBT 芯片在大電流密度的基礎上兼顧低損耗，則需要考慮多種優化技術的有機組合。溝槽柵技術是提高電動汽車 IGBT 芯片電流密度、減小功率損耗的主要實現途徑。其中，減小臺面寬度是主要的優化方式，當前 IGBT 芯片臺面寬度遠大于硅 IGBT 的理論極限(20~40nm)，因此減小臺面寬度這一優化趨勢目前不會改變。在此基礎上，結合虛擬陪柵結構、屏蔽柵結構和載流子存儲層設計來降低通態壓降和密勒電容，實現功率損耗降低。隨著電動汽車對 IGBT 芯片功率密度、成本和結溫要求的進一步提高，以及芯片設計、制造等核心技術的突破，超級結 IGBT 和逆導 IGBT 將會成為未來重點研究方向。艾邦建有IGBT產業鏈交流，歡迎識別二維碼加入產業鏈微信群及通訊錄。

1.溝槽柵技術

相比于平面柵結構，溝槽柵技術由于消除了結型場效應管(junction gate field-effect transistor，JEFT)區域，具有元胞緊湊和通態壓降小的特點，可以實現更大的電流密度，因此被廣泛用于電動汽車芯片領域。

圖 溝槽柵結構

Nakagawa 在 2006 年 ISPSD 會議上討論了臺面寬度(即溝槽間距，mesa)對 IGBT 芯片 V-I 曲線的影響，指出在一定范圍內，通過減小臺面寬度，提高電子注入效率，可以提升 IGBT 芯片在相同導通電壓下的電流密度。

圖 V-I 曲線與臺面寬度 d 的關系

電動汽車 IGBT 芯片通過增加有源溝槽的數目或采用溝槽精細化技術均可以有效提高電流密度，同時結合非有源溝槽結構占比的調整，優化電流密度與短路耐量之間的折衷關系。引入虛擬陪柵結構可以減小芯片的密勒電容，從而降低開關損耗，但是需要考慮其連接方式對芯片短路耐量和開關損耗之間折衷關系的影響。

圖 溝槽柵優化折衷圖

2.屏蔽柵技術

僅通過增加溝槽柵數目或減小臺面寬度提高 IGBT 芯片的電流密度，會同時增大柵極與集電極的正對面積，導致 IGBT 芯片的密勒電容變大，從而引起 IGBT 芯片開關速度減慢和損耗增大的問題。為解決上述問題，富士公司提出了溝槽分離(split gate)和屏蔽溝槽柵技術(trench shield gate)。

圖 分離溝槽柵橫截面示意圖

溝槽分離結構使用 SiO2將溝槽從中間分離，并連接非有源區與發射極，用以減小柵極與集電極的正對面積。相比于傳統溝槽結構，該結構實現了密勒電容降至 1/10，繼而開通損耗降低 10%；同時，通過浮動 p 體區，提高注入效應，使通態壓降降低了 13%。屏蔽溝槽柵技術與分離溝槽結構原理類似，區別在于無需添加氧化物來分離溝槽，簡化了制造工藝，并且相比于無屏蔽溝槽結構的 IGBT，開通損耗降低 26%。

圖 無/有屏蔽溝槽柵的元胞結構示意圖

3.載流子存儲層技術

溝槽柵制造工藝，例如***的最小線寬和對準能力，是 IGBT 芯片臺面寬度進一步下降的瓶頸，因此實現 IGBT 芯片電流密度的提升和功率損耗的下降還需要結合載流子存儲技術，使 IGBT 芯片中載流子分布更接近最優狀態。

圖 CSTBT 元胞結構示意圖

傳統 IGBT 芯片的載流子濃度從背面集電極到正面發射極遞減，正面發射極的低載流子濃度限制了通態壓降的降低。因此，三菱公司針對電動汽車應用領域提出載流子存儲溝槽柵雙極晶體管(carrier stored trench-gate bipolar transistor，CSTBT) 芯片結構，已于 2012 年迭代至第七代。該結構在利用精細化溝槽技術提高 IGBT 芯片電流密度的基礎上，通過添加載流子存儲層 (carrier stored layer，CS layer)阻止空穴進入 p 基區， 以提高近發射極處的空穴濃度，實現通態電壓減小至少 20%。得益于采用高能注入技術形成 CS 層，相比于熱擴散技術，其減小了 CS 層形成時對溝槽摻雜濃度的影響，進而提高 Vge(th) 的一致性，改善了 IGBT 芯片通態時各元胞的均流效果。

圖 高能注入技術形成的雜質分布

4.超級結技術

超級結概念打破了傳統硅器件導通壓降與耐壓間的極限關系，在 MOSFET 中已經成功實現了大規模應用。目前，已有將超級結概念應用到中低壓等級車規級 IGBT 芯片的相關研究，用以更進一步地降低芯片的損耗，其通過調整超級結p柱的摻雜濃度和幾何結構，可以實現 200℃ 下關斷損耗和通態電壓折衷關系的優化。

圖 超級結場截止 IGBT 元胞結構示意圖

5.逆導 IGBT 技術

逆導型 IGBT(reverse conducting IGBT，RC-IGBT)在傳統 IGBT 芯片的集電極局部引入 n+ 區，與 n-漂移區和 p 基區形成 p-i-n 二極管。在同一芯片上將 IGBT 和二極管反并聯；芯片面積的減小使封裝更加方便，同時節省了焊接芯片和鍵合綁定線的成本，具有更大的成本優勢。此外，RC-IGBT 散熱面積大，允許的工作結溫更高，極大提高了單個芯片的功率密度。富士公司已經成功將其第七代 RC-IGBT 用于 1200A/750V 電動汽車功率模塊。

圖 逆導 IGBT 元胞結構示意圖

但是，目前 RC-IGBT 芯片存在電壓回跳現象，且由于反向恢復特性差和成品率較低等因素還未實現廣泛應用。

審核編輯：湯梓紅