富士电机电子设备技术的IGBT
富士电机电子设备技术的igbt
富士电机电子设备技术的igbt 技术从1988 年开始产品化，至今一直在市场上供应。图 1-3 中表现了从第一代到第五代igbt 产品的开发过程以及运用技术。第一代至第三代的igbt 中运用了外延片，通过优化生命期控制和igbt 的细微化技术，进行了特性的改善。然后，第四代和第五代产品通过从外延片过渡为fz（floating zone）晶片，实现了大幅度的特性改善。就此，igbt 的设计方针与从前相比，发生了很大的转变。
首先，运用外延片的 igbt（第三～第四代的600v 型为止的系列产品，被称为“击穿型”）的基本设计思想如下所述。igbt 在导通时为了实现低通态电压化，从集电极侧注入大量的载流子，使igbt 内部充满高浓度的载流子，再加上为维持高电压而专门设置的n 缓冲层，形成很薄的n-层，从而实现低通态电压。为了实现快速交换，也同时采用以igbt 内充满的载流子快速消失为目的的生命期控制技术（通过这些也能实现低交换损耗（eoff））。但是，一旦运用了生命期控制技术，即使处于通常的导通状态，由于该技术所产生的效果（载流子的输送效率下降），出现了通态电压增加的问题，而通过载流子的更进一步高注入化可以解决这个问题。
总之，使用外延片技术的igbt 的基本设计理念可以用“高注入、低输送效率”简单扼要地概括出来。相对而言，使用fz 晶片的igbt（第四代1200v 以后的系列）采用了抑制来自集电极侧载流子的注入，并通过降低注入效率来提高输送效率的逆向基本设计。在前面所述的使用外延片的igbt 的设计理念“高注入、低输送效率”中，通过对生命期的控制，强制性地对好不容易注入的载流子进行抑制，这不仅使特性的改善受到了限制，而且通过对生命期的控制使通态电压特性的标准离差增大等问题，对于近年来要求日益提高的并列使用所需的大容量化等方面非常不利。为了攻破此难题而开发的技术就是运用fz 晶片的新igbt（npt：non punch through（从第四代igbt 使用）/fs：field stop（从第五代igbt 使用）—igbt）。该igbt 不采用生命期控制，其基本的设计思想是通过对集电极（p+层）的不纯物质浓度进行控制，从而抑制载流子的注入效率。然而，要实现优于采用外延片的igbt 的特性，对于1200v 的耐高压系列igbt 也要求能够实现一百数十μm 的超薄型产品（使用了fz 晶片的npt 和fs-igbt 中n-层的厚度≒芯片（晶片）的厚度，该厚度越薄越能产生低通态电压）。总之，将运用fz 晶片igbt 的开发称为对芯片厚度的挑战一点也不过分。
富士电机电子设备技术解决了这些课题，从第四代的 1200v 系—igbt 开始，实现了运用fz 晶片npt 构造的“s 系列”的产品化。并且，进一步开发对厚薄度要求更高的600v 系列技术，目前正在进行600v-u2系列（第五代）的产品化。此外，在1200v 系—第五代“u 系列”中，为了进行更优于s 系列的性能改善，已经在将npt 构造改为fs 构造。
所谓 fs 构造，即不运用生命期控制技术，在遵循载流子的“低注入、高输送效率”的基本设计理念的同时，在fz 晶片上设置用以维持电压的n 缓冲层，从而实现比npt 构造更薄的igbt 构造。通过这种改变，
1200v 系—u 系列实现了优于s 系列的低通态电压特性，并且完成了它的产品化。另外，此项技术还运用在1700v 系的高耐压系列中，目前也正在着手产品化。
图 1-3 富士电机电子设备技术制igbt应用技术的变迁
另外，富士电机电子设备技术也同时在进行着 igbt 的特性改善所不可缺的表面构造的细微化（igbt 是由多个igbt 板块形成的，通过细微化处理，板块数量越多越能实现低通态电压）。到第四代产品为止一直是运用平面型构造（平面型制作igbt 的构造）来推进细微化，从而进行特性改善的。但是，从第五代产品-1200、1700v 系列开始，通过开发和运用在si 表面开槽并构成igbt 的沟槽igbt 技术，打破了细微化的技术屏障，实现了前所未有的特性改善。图 1-4 为1200v 系列的特性改善的变迁情况。
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首先，运用外延片的 igbt（第三～第四代的600v 型为止的系列产品，被称为“击穿型”）的基本设计思想如下所述。igbt 在导通时为了实现低通态电压化，从集电极侧注入大量的载流子，使igbt 内部充满高浓度的载流子，再加上为维持高电压而专门设置的n 缓冲层，形成很薄的n-层，从而实现低通态电压。为了实现快速交换，也同时采用以igbt 内充满的载流子快速消失为目的的生命期控制技术（通过这些也能实现低交换损耗（eoff））。但是，一旦运用了生命期控制技术，即使处于通常的导通状态，由于该技术所产生的效果（载流子的输送效率下降），出现了通态电压增加的问题，而通过载流子的更进一步高注入化可以解决这个问题。
总之，使用外延片技术的igbt 的基本设计理念可以用“高注入、低输送效率”简单扼要地概括出来。相对而言，使用fz 晶片的igbt（第四代1200v 以后的系列）采用了抑制来自集电极侧载流子的注入，并通过降低注入效率来提高输送效率的逆向基本设计。在前面所述的使用外延片的igbt 的设计理念“高注入、低输送效率”中，通过对生命期的控制，强制性地对好不容易注入的载流子进行抑制，这不仅使特性的改善受到了限制，而且通过对生命期的控制使通态电压特性的标准离差增大等问题，对于近年来要求日益提高的并列使用所需的大容量化等方面非常不利。为了攻破此难题而开发的技术就是运用fz 晶片的新igbt（npt：non punch through（从第四代igbt 使用）/fs：field stop（从第五代igbt 使用）—igbt）。该igbt 不采用生命期控制，其基本的设计思想是通过对集电极（p+层）的不纯物质浓度进行控制，从而抑制载流子的注入效率。然而，要实现优于采用外延片的igbt 的特性，对于1200v 的耐高压系列igbt 也要求能够实现一百数十μm 的超薄型产品（使用了fz 晶片的npt 和fs-igbt 中n-层的厚度≒芯片（晶片）的厚度，该厚度越薄越能产生低通态电压）。总之，将运用fz 晶片igbt 的开发称为对芯片厚度的挑战一点也不过分。
富士电机电子设备技术解决了这些课题，从第四代的 1200v 系—igbt 开始，实现了运用fz 晶片npt 构造的“s 系列”的产品化。并且，进一步开发对厚薄度要求更高的600v 系列技术，目前正在进行600v-u2系列（第五代）的产品化。此外，在1200v 系—第五代“u 系列”中，为了进行更优于s 系列的性能改善，已经在将npt 构造改为fs 构造。
所谓 fs 构造，即不运用生命期控制技术，在遵循载流子的“低注入、高输送效率”的基本设计理念的同时，在fz 晶片上设置用以维持电压的n 缓冲层，从而实现比npt 构造更薄的igbt 构造。通过这种改变，
1200v 系—u 系列实现了优于s 系列的低通态电压特性，并且完成了它的产品化。另外，此项技术还运用在1700v 系的高耐压系列中，目前也正在着手产品化。
图 1-3 富士电机电子设备技术制igbt应用技术的变迁
另外，富士电机电子设备技术也同时在进行着 igbt 的特性改善所不可缺的表面构造的细微化（igbt 是由多个igbt 板块形成的，通过细微化处理，板块数量越多越能实现低通态电压）。到第四代产品为止一直是运用平面型构造（平面型制作igbt 的构造）来推进细微化，从而进行特性改善的。但是，从第五代产品-1200、1700v 系列开始，通过开发和运用在si 表面开槽并构成igbt 的沟槽igbt 技术，打破了细微化的技术屏障，实现了前所未有的特性改善。图 1-4 为1200v 系列的特性改善的变迁情况。
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