1簡介

過去幾年，功率半導體的發展趨勢，主要集中在對給定的應用提高功率密度。但當考慮到工作時的總功耗、安全工作區容限和允許的最大結溫時，這種性能指標受到挑戰。隨著最先進的IGBT正慢慢接近損耗降低的極限，提高最大結溫已成為當今功率器件開發的主要動力之一。由于熱流跟溫差成正比，如果半導體器件允許的結溫更高，將為產生的熱量提供更好的傳導，進而增加給定器件面積的功率密度。

從2005年開始，平面SPT+技術已成功引入到從1.2kV到6.5kV不同的電壓等級中^[1][2]。本文將介紹一種改進了的1700VSPT+芯片組。其研發應用于額定值3.6kA/ 1700V HiPak2模塊封裝，且指定工作結溫為T_j=150℃。SPT+技術可使導通損耗減小，加之它具有比25℃更高（可能是125℃，疑誤—譯者）的溫度承受能力，故同當前典型的水冷應用的SPT一代相比，新型的1700V SPT+IGBT模塊在頻率從250Hz變化到1000Hz時逆變器輸出電流增加了20％，如圖1所示。

圖1逆變器輸出電流隨開關頻率變化：1700V SPT與SPT+HiPak2對比2 1700V SPT+高溫芯片組技術

2.1 SPT+高溫IGBT技術

同原始的平面IGBT元胞相比，SPT+技術的主要優點是在減小導通損耗的同時，保留了具有相同開關控制能力的SPT（軟穿通）縱向設計。上述優點的實現，是通過在IGBT MOS單元的P－well周圍引入一個N型增強層來實現的，如圖2剖面結構所示。增強層增大了IGBT陰極端的載流子濃度，因此，在沒有顯著增加關斷損耗的同時使導通壓降降低。N型增強層的雜質分布形式是仔細優化了的，以避免任何對SPT+IGBT的關斷安全工作區及耐壓能力的負面影響。1700V SPT+IGBT的最終設計將勝過具有相同面積的以往SPT產品，它的導通損耗更低而關斷損耗與SPT相當，可多承受20％的電流。

為確保在T_j=150℃時能可靠工作，引入了一種基于偏置環概念^[3]的新型終端設計。這里環的互連是通過一個半絕緣層來實現的，正如剖面圖2所示。同基于結終端擴展概念的以往產品相比較，已證明，這種終端設計在能提供更窄的漏電流分布的同時，不受內部環間距變化和界面態的影響。已獲得一個非常好的耐壓能力和反向漏電典型值，這將確保器件在1700V、溫度高達165℃、R_th=1.2kV時穩定工作。

3.1靜態特性

圖4給出了T_j=150℃時不同柵壓下，1700V SPT+IGBT芯片所測得的通態曲線。標稱電流下典型的通態壓降（V_CE，on），在T_j=125℃時為2.95V，T_j=150℃時為3.1V。從低電流開始，SPT+IGBT的通態壓降（V_CE，on）就表現出強正溫度系數。它保證了有同模塊中各芯片間電流的良好分配。如圖5所示，結溫為T_j=150℃時，測得的1700V二極管典型正向電壓為2.15V。在標稱電流一半處，二極管（導通壓降）也表現出了正的溫度系數。這是優化局部載流子壽命分布的結果。在標稱電流下，工作在室溫和125℃時的壓降差為250mV，這也確保了芯片并聯時的安全。正如圖6看到的，高溫反向阻斷下，與之前的SPT二極管工藝平臺相比，二極管的漏電流減小了兩倍多。

圖4在T_j=150℃時不同的偏壓下，1700V SPT+IGBT通態曲線

圖5不同溫度下 1700V二極管芯片正向特性