1、http:/ I 目 录 报告内容概要 . 1 第 1 章 概 述 . 2 第 2 章 功率半导体器件领域专利分析 3 2.1 全球专利发展趋势分析 3 2.2 首次申请国家 /地区分析 . 5 第 3 章 IGBT 领域专利申请分析 8 3.1 全球专利申请现状 . 8 3.1.1 发展趋势分析 8 3.1.2 IGBT 结构的技术发展路线 11 3.1.3 申请人分析 . 17 3.2 中国专利申请现状 . 20 3.2.1 中国专利申请概况 . 20 3.2.2 技术功效分析 21 第 4 章 SIC 器件专利申请分析 . 29 4.1 全球专利申请现状 . 30 4.1.1 技术生命周
2、 期分析 . 30 4.1.2 技术构成分析 35 4.2 MOSFET 栅氧化膜技术分析 . 36 4.2.1 发展路线分析 36 4.2.2 中国申请技术布局 . 41 第 5 章 英飞凌公司专利申请分析 . 44 5.1 首次申请及目标国家 /地区分布 44 5.2 COOLMOS 核心专利分析 . 46 第 6 章 主要结论 . 50 6.1 功率半导体器件领域整体结论 . 50 6.2 IGBT 领域结论 51 6.3 SIC 器件领域结论 52 6.4 重点申请人结论 53http:/ 1 报告 内容概要 功率半导体器件在其发展的初期（上个世纪 60-80 年代）主要应用于工业和电
3、力系统。近二十年来，功率半导体的应用已经渗透到国民经济与国防建设的各个领域。随着世界各国对节能减排的需求越来越迫切，功率半导体已从传统的工业控制迈向新能源、轨道交通、智能电网、变频家电等诸多行业。国务院、发改委、工信部等部门均制定了一系列的政策来扶持功率半导体器件相关企业。在市场竞争格局方面，在目前中国功率器件市场上，国外厂商占绝对优势。 本报告主要采用定量分析和定性分析相结合的方式，宏观上对功率半导体器件领域专利申请进行总 体分析，微观上对关键技术 SiC 器件以及重要申请人英飞凌公司进行了重点分析。本报告数据均采集自国家知识产权局专利检索与服务系统，数据截止时间为 2012 年 4月 30
4、 日。由于报告中专利文献的数据采集范围和专利分析工具的限制，加之水平有限，报告的数据、结论和建议仅供社会各界借鉴参考。希望社会各界进一步利用报告，同时欢迎社会各界多多批评指正。 若有任何建议和意见，请您发送邮件至： 。感谢您的关注。 http:/ 2 第 1章 概 述 功率半导体器件（ Power Electronic Device）又称为电力电子器件和功率电子器件，是用于电能变换和电能控制电路中的大功率电子器件。 功率半导体器件是 电力 电子技术的基础 ，是 电力电子设备的 构成 核心，它的特性和应用方法直接影响 着 电力电子系统的性能价格和可靠性。 功率半导体器件在电力电子技术中作为开关元
5、件，应具有开关速度快、承受电流和电压能力大 (即容量大 )和工作损耗小等特性。理想的电力电子半导体器件在断态时 应 能承受很高的电压，并且漏电流很小；在通态时能有很高的电流密度，并且压降 很低；在断态和通态间又能很快地转换 ； 在导通时能限制电流 的上升率 ，在电路事故状态下无需外电路元件的帮助也能限制电流。电力电子技术发展，不仅要求电力半导体器件具有自关断的特性，以简化控制电路；而且还要求电力电子器件可集驱动、保护为一体，多元件封装在一个模块中，以进一步简化电路，提高运行的可靠性。 现代电力电子技术无论对 电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等 传统工业，还是对 航天、激光、通信、机器人等 高
6、新技术产业都至关重要。应用领域几乎涉及到国民经济的各个部门 ，如图 1-1 所示。 近几年西方发达国家尽管总体经济的发展速度 较慢，但电力电子技术却一直保持着 较快 增长。 图 1-1 功率半导体器件 的应用领域 http:/ 3 第 2章 功率 半导体 器件领域专利分析 本章中，基于功率半导体器件领域的全球专利申请，对该领域的专利申请技术进行综合性分析。 本 章 涉及专利申请 38632 项，截止日期为 2012 年 4 月 30 日。 2.1 全球专利 发展趋势 分析 图 2-1-1 示出了功率半导体器件全球专利 申请的 发展趋势。可以看出，全球功率 半导体器件领域专利申请总体态势可分为以
7、下四个阶段。图 2-1-1 中 的 饼形图显示了 各 类功率 半导体 器件所占的比例， 其中 申请量最大的是 功率场 MOSFET， 占比达 到 29%。其次是技术发展较早的双极晶体管，接着便是目前研发及市场的热点器件绝缘栅双极晶体管（ IGBT），其出现时间较晚，但发展速度较快，目前的占比已经达到 18%，晶闸管及二极管的占比相对较小。图 2-1-1 中的条形图分别显示了各个阶段中 各 类功率 半导体 器件的占比，随着时间的变化，专利申请的侧重点也有明显的不同。 1、 萌芽期（ 1962 1979 年 ） 这一阶段申请量较少但已开始逐年提升，从起始的几项申请发展到该阶段后期的 200项以上
8、。 这个阶段的专利申请主要集中在第一代功率 半导体 器件二极管、晶闸管 ， 以及 70年代出现的 第二代 功率半导体器件 大功率双极晶体管 ，仅有少量涉及 MOSFET 的专利申请 ，其中双极晶体管发展速度较快，从 1973 年开始申请量 已 超过百项，而同一时期的 MOSFET发展相对缓慢，申请量所占的比重较小 ，仅有 8%，而 IGBT 尚未出现。 2、 技术成长 期 （ 1980 1988 年 ）： 从 1980 年开始，申请量突破 500 项且发展迅速，并于 1988 年达到了 1366 项 。 这个阶段申请量的大幅增加主要源自双极晶体管的迅猛发展，其在该阶段所占的比例相比 萌芽 期进
9、一步提升，达到了 43。同时 MOSFET 的占比缓慢增加， 80 年代出现的 IGBT 也逐步发展起来，但总的申请量还较少，占比仅有 5。晶闸管的 占比 较大幅度地减少 ，由 35%降至21%， 而二极管的 占比 变化不大。 http:/ 4 图 2-1-1 功率半导体器件全球发展趋势 3、 调整 期 （ 1989 1999 年 ）： 这一阶段， 专利 申请量较峰值虽有所回落， 但 年申请量 仍然 维持在 1200 项左右，期间MOSFET 在 功率半导体器件 市场中的强势表现激发了行业的研发热情，产生了大量的专利申请，其占比也从上阶段的 13大幅增加至 30 。 同时 IGBT 也有了长足
10、的发展，两者的发展极大地压缩了双极晶体管的市场，这一 阶段 双极晶体管的 专利申请出现了较大幅度的回落（ 参见 图 2-1-2） ，年申请量由 1989 年的 609 项迅速下降至 1999 年的 214 项 。 4、 快速发展期 （ 2000 年 至今 ）： 2000 年开始，功率 半导体 器件进入一个较快速的发展阶段，并于 2007 年达到峰值（ 1815项），随后受累于全球经济的不景气，申请量有明显的回落 ， 2009 年的申请量降至 1395 项 。 当前 的功率 半导体 器件市场中 MOSFET 占据较大的份额， IGBT 则在逐步拓展应用领域，发展迅速，在高耐压领域晶闸管仍具有较明
11、显的优势，而大功率双极晶体管的应用领域被进一步压缩，这基本一 致于快速发展期的各类 功率半导体器件 的占比， MOSFET、 IGBT优势明显，双极晶体管占比大幅较少，而晶闸管二极管变化不大，二极管占比略高于晶闸管，这与近些年碳化硅二极管的技术发展及逐步商业化有一定的关系。 图 2-1-2 示出了各类 功率半导体器件 的年申请量变化图。 MOSFET 及 IGBT 处于较快速的发展阶段，两者的发展趋势 极其 类似 。 双极晶体管在经历了一个高速发展 阶段，于 1988年达到峰值的 663 项，随后开始大幅下降， 2009 年申请量为 96 项，仅为峰值时的 1/6，已经成为 近几年 申请量最低
12、的一类器件，而晶闸管及二极管 仍然在持续地平稳地发展。 http:/ 5 图 2-1-2 各类功率 半导体 器件历年申请量 2.2 首次申请 国家 /地区分析 图 2-2-1 示出了 功率半导体器件 首次申请的国家 /地区分布情况。其中日本申请人的申请量最大，达到 24181 项，其次是美国申请人，申请量为 5816 项。中国申请人的申请量位于第三位，申请量为 2091 项。 接下来是 韩国和德国申请人，申请量分别为 1922 项和 1791 项。日本申请 人 的申请量虽然最多，但从多边申请的角度看，其多边申请量为 4663 项，仅占首次申请量的 19%， 远低于德国和美国的多边申请的比例（
13、65%和 49%）， 也低于韩国申请人的多边申请的比例（ 31%）。中国申请人的申请量虽然位于第三位，但多边申请量非常低，仅占首次申请量的 4%。 中国是功率 半导体 器件领域近几年申请最活跃的国家 /地区，近五年申请量占总申请量的 84%。这一方面表明了中国作为 功率半导体器件 领域的研究还处于起步阶段，另一方面也表明了中国在 功率半导体器件 领域技术的蓬勃发展以及投入的增大，这将为未来的技术进步打下坚实的基础。美国申请人近 5 年申请也相对活跃，近五年申请量占总申请量的 22%，表现出其对 功率半导体器件 技术研究和申请的持续性。日本和德国申请人最近 5 年 的 申请比例 相对较 低 ，近
14、五年申请量占总申请量的比例分别为 15%和 14%，其技术 相对 比较成熟。 http:/ 6 从首次申请国家 /地区 的技术分支情况看，日本申请人对各种 功率半导体器件 关注度比较平均，其中对双极晶体管的申请比例 最高 ，为 29%；其次为 MOSFET 器件，占总申请量的 24%；对于新兴的 IGBT 器件，其申请量占总申请量的 19%。美国申请人则是 MOSFET器件的申请量大，占总申请量的 43%；其次为晶闸管，占总申请量的 16%。美国申请人对IGBT 的申请比例相对日本申请人较少，申请量占总申请量的 15%。中国申请人的技术分布与美国 申请人相似，申请比例最大的为 MOSFET 器
15、件，占 41%；其次为晶闸管，占申请总量的 21%。 中国 申请人对 IGBT 器件的申请比例较低，占总申请量的 12%。德国申请人 的专利申请技术分布也较为平均，其中 申请量 最多 的为晶闸管，占申请总量的 28%， MOSFET器件和 IGBT 器件分别占申请总量的 23%和 22%。可见德国申请人对高 耐压 功率半导体器件的申请相对 较 多。韩国申请人申请的技术分支中 MOSFET 器件占了总申请量的 51%，其次为双极晶体管器件，占了总申请量的 25%。韩国申请人对 IGBT 器件的申请量相对其他国家/地区，占 总申请量的比例最低，仅 为 7%。 比较可知，各国家 /地区对各种 功率半
16、导体器件 的研究投入有所不同，美国、中国和韩国 MOSFET 的 申请 量 最多。而日本 和德国 申请人则投入相对平均。 图 2-2-1 全球功率 半导体 器件 首次申请国家 /地区分布 图 2-2-2 示出了日本申请人对各技术分支的申请量年变化趋势。虽然日本申请人对双极晶体管的申请很多，但在 1984 年出现峰值之后，申请量一直呈下降趋势， 1996 年后年申请量降低到 100 件以下，并 呈 逐年下降趋势，近几年已经不再活跃。相反 IGBT 器件最近几年的 申请相对活跃 ， 20062010 年的申请量占总申请量的 32%； MOSFET 器件自 1992 年申请量达到 200 件后，基本
17、维持稳定上升的趋势， 2008 年后申请量有所下降。 MOSFET 器件申请的活跃度仅次于 IGBT ， 20062010 年的申请量占总申请量的 22%。 MOSFET 和 IGBT 器http:/ 7 件是日本申请人最近几年的重点研究领域。 图 2-2-2 功率半导体器件 日本首次申请各技术分支的年申请量变化 http:/ 8 第 3章 IGBT 领域专利申请分析 IGBT 作为一种新型的功率半导体器件，一直备受业界关注。同时体现在全球专利申请数据和中国专利申请数据上， IGBT 领域的 专利申请虽然起步较晚，但近年来一直保持迅猛增长势头，且各大公司也纷纷加大投入，将其作为重点研发方向。因
18、此在本报告中选取 IGBT领域作为关键技术领域进行重点研究。 在本章中将针对 IGBT 领域的专利申请状况进行分析，通过分析 IGBT 领域的产业技术状况，采用技术生命周期、技术发展路线、首次申请国及目标申请国分析、申请人分析等分析方法，研究了 IGBT 的全球以及中国专利发展趋势、 IGBT 结构的技术发展路线、各技术分支专利布局等内容，以对了解全球 IGBT 的具体发展脉络和重点技术提供指导和借鉴作用。 3.1 全球专利申请现状 本 节从 IGBT 器件全球申请量的变化和技术构成情况出发，对 IGBT 技术生命周期以及技术发展趋势进行分析。 3.1.1 发展趋势分析 截止到 2012 年
19、4 月 30 日 ，全球 IGBT 相关专利申请 量为 7302 项。图 3-1-1 示出了全球IGBT 专利申请量的年变化趋势。图 3-1-2 为 IGBT 的专利技术生命周期图。 http:/ 9 图 3-1-1 IGBT 全球专利申请 量 年变化趋势 图 3-1-2 IGBT 全球专利申请的技术生命周期图 全球 IGBT 专利申请共分为三个阶段： 1、萌芽期（ 19801990 年） 萌芽期，进入该领域的申请人缓慢增加，申请 量也有一定幅度的增长。从 IGBT 概念在70 年代 后期 被提出之后，其 闩锁 效应的影响以及 n 漂移区的非平衡载流子注入等问题一直未得到消除，使得 IGBT
20、产品未能实用化。少部分企业在该领域持续研究，如通用、东芝、http:/ 10 三菱、飞兆和西门子等，但一直未有突破性进展。 RCA 公司的申请 US4364073A（申请日 11980年 3 月 25 日）被认为是最早的关于 IGBT 器件的申请，其于 1982 年 12 月 14 日被授权。同年，西门子也提出了申请 US4502070A，公开了一种 MOS 器件与晶闸管器件集成的器件结构。 IGBT 器件的申请量于 1985 年开 始有了相对大幅度 地 增加，直到 1988 年，申请量都保持了相对较高的增长速度。申请量最大增幅达到 69%，平均增幅为 47%。直到 1990 年，申请量小有回
21、落，从 1989 年的 130 项降低到 100 项。 19851986 年申请量的大幅上涨，与 IGBT器件于 1986 年开始实用化是相应的。和 1984 年相比， 1985 和 1986 年，申请人的数量增加了一倍，申请量最多的申请人的年申请量也翻了一倍还多，其中东芝、富士和通用在 IGBT领域的申请量最多。 1989 年的申请人数量有小幅上涨，但申请量基本维持不变。 1990 年主要申请人保持较大 量的专利申请，但由于申请人数量的回落，导致了年申请量有小幅回落。在萌芽期中，由于 IGBT 发展早期元胞结构是器件性能最重要的影响因素，故元胞结构的申请量的变化成为影响申请量涨落的最重要因素
22、。 在 此 期间，出现了改进的平面穿通型的第 2 代 IGBT 以及平面栅非穿通，即 NPT-IGBT，的第 3 代 IGBT 结构。改进的平面穿通型 IGBT 又称精细化的平面栅穿通型 IGBT，与平面穿通型的第 1 代 IGBT 相比，第 2 代 IGBT 的栅结构的特征尺寸显著减小，但 IGBT 的结构基本没有发生变化。 1987 年开始出现了关于平面栅非穿通（ NPT） 型器件结构的第 3 代 IGBT的专利申请，如西门子的申请 US5132766A、富士的申请 JP11-35071A 以及通用的申请US4857983A。非穿通结构，采用区熔衬底代替了传统的外延结构，极大降低了成本，同
23、时降低了器件的厚度。 2、成长期（ 19911999 年） 在成长期中，先后出现了三代新的元胞技术（第 4 代、第 5 代和第 6 代 IGBT 元胞结构），芯片面积和功耗持续减小。第 4 代 IGBT 元胞结构在纵向结构上，延续了非穿通结构，在表面结构上采用沟槽栅结构替代平面栅结构，以减小面积，同时降低寄生效应。第 5 代和第 6代 IGBT 元胞结构则采用背注缓冲区的工艺，回归 PT 结构，但器件厚度得到进一步减薄，称之为场截止（ FS）结构，在表面结构上，栅极分别采用平面栅和沟槽栅结构。场截止结构同时具有 PT 结构和 NPT 结构的优势，器件性能更优异。新的元胞结构增大了器件的耐压性，
24、降低 了 通态压降。性能的提高增大了 IGBT 器件的应用范围，其逐渐替代了晶闸管的部分应用领域。需求的增加使得行业吸引力增加，大量申请人涌入该领域，更多的公司参与到IGBT 行业的竞争中。 1991 年专利申请人数量仅为 36 个 ，而到 1999 年时，专利申请人的数量达到 92 个 。在这期 间，除了涉及元胞结构的专利申请呈增长趋势外，涉及终端结构和模块结构的专利申请也开始大量增加，从而使 IGBT 的专利申请量呈较快速度增 长 。由于市场的繁荣、应用范围的扩大及不同的厂商集中 对 不同代次的 IGBT 元胞 结构和性能 进行 改进，1 本章中的申请日指一个专利申请的最早优先权日。 ht
25、tp:/ 11 这一阶段中专利申请数量较多，专利申请涉及的技术分支也较多 。 从改进的结构位置上， 包括 对源区（如 US6646304A、 US7999317B2 和 CN1156905A 等）、基区（如 US2002006703A1、CN100557819C 和 CN102376709A 等）、栅结构（如 US5508534A、 US2010230718A、US2011156137A1 和 US2003141542A1 等）、漂移区（如 US6621132B2、 US7943991B2 和US2002096708A1 等）以及集电区（如 US5668385A 和 CN102386220A
26、等）等的改进。从功效上，不断追求击穿电压的提高 、 导通 压降 的降低 、 开关特性改善以及各参数的平衡。技术的持续更新，推进了 IGBT 行业的持续快速发展，其中 1994 年申请量增幅最大，达到了 50%。这一阶段中，进入 IGBT 行业的公司越来愈多；主要申请人（如三菱，富士，英飞凌， ABB等）虽然保持了持续的申请但申请量增长的幅度不大，而申请人数量的增加成为申请量大幅增长的主要原因。 3、稳定发展期（ 2000 年 至今） 稳定发展期期间，申请人的数量基本保持稳定，在 90 左右震荡。申请量直到 2007 年一直保持较快的增长， 2008 年开始有所下降。 2000 年以后，元胞技术
27、已经趋于成熟， 6 代 IGBT元胞结构均已出现，并逐渐趋于成熟，技术改进的空间变小。同时，技术开始逐渐集中起来，申请量位于前 6 的申请人（其中，位于第 5 和第 6 位的申请人的申请总量相同）的申请量占申请总量的 48%，接近申请总量的一半。较 高的技术集中度提高了进入该领域的门槛，使得申请人的数量维持在比较稳定的水平。 2001 年，由于元胞技术和终端技术的申请量的大幅增长而导致专利申请量大幅增加，其中元胞结构的增长率为 17%，终端结构的增长率为 76%。随着元胞的耐压的增加，边缘表面击穿对器件的限制作用越来越显著，这促进了终端结构的申请量的增长。如：US7582918B2、 US20
28、10264507A1 和 CN102263124A 等。 这期间，出现了逆导型 IGBT 和逆阻型 IGBT，其将二极管和 IGBT 器件集成在一起，进一步提高了器件的性能，同时为器件的 模块化提供了新的途径，如 US2009170670A1、US2010264507A1 和 CN101414816B 等。目前，英飞凌已经推出了 RC-IGBT 系列产品，该系列产品降低了开关损耗和传导损耗，耐 压为 600V。 3.1.2 IGBT 结构的技术发展路线 IGBT 器件是 MOS 器件与双极晶体管相结合而形成的复合功率开关器件。 IGBT 概念最早在 70 年代前半期被提出，但早期的 IGBT“
29、 闩锁 ”效应严重，容易导致栅失控。并且由于 n-漂移区存在非平衡载流子的注入，器件的开关速度受到影响，故 IGBT 还处在实验阶段，不能被使用。直到 1986 年，在解决了结构和工艺上的一些问题后， IGBT 才真正得到应用并开始正式生产。元胞结构作为 IGBT 器件的核心结构，是 IGBT 器件演化发展的 核心 。 IGBT元胞结构的发展，包括纵向结构以及表面栅结构 两个方向的演变。在纵向结构方面，主要经http:/ 12 历如下的变化：穿通结构 、 非穿通结构 和 场截止结构。在表面栅结构上，主要是从平面栅到沟槽栅的转变。沟槽栅结构从 90 年代中期开始应用于 IGBT 结构。纵向结构和
30、表面栅结构的改变加以融合， IGBT 器件技术的演变基本可以认为经历如下六代的变化演进：平面栅穿通（ PT）结构、精细平面栅穿通（ PT）结构、平面栅非穿通（ NPT）结构、沟槽栅非穿通（ NPT）结构、平面栅场截止 (FS)结构和沟槽栅场截止 (FS)结构，如图 3-1-3 所示。 IGBT 元胞结构的垂直方向和水平方向的变革，以及在工艺不 断进步的刺激下，其厚度逐渐减小，元胞尺寸不断缩小，元胞密度增大。下面将分别从每一代 IGBT 器件的元胞结构的技术改进和 IGBT 元胞结构的重要功能区域的技术 发展 两个角度，分别对 IGBT 器件的技术演进进行梳理和研究，以期能从较全面的角度对技术的
31、发展趋势有一定的把握。 图 3-1-3 IGBT 元胞结构的技术发展路线 IGBT 器件 的 元胞主要结构明确，为了追求更高的耐压，更高的应用频率，对主要结构各个区域进行改进，如基区、源区、漂移区和发射区等。这里以部分重要专利为基础，以重要专利的引用关系为主线，梳理了 6 代 IGBT 元胞结构的演进趋势（如图 3-1-4 所示），希望能得出对 IGBT 器件元胞结构的发展趋势的说明。当然，以引用关系为主线，对于一种技术的追踪有一定的优势，但在覆盖技术的全面性上有一定的不足。 1、平面栅 /精细平面栅穿通（ PT）结构 平面栅 PT 结构出现在 80 年代初，作为第一代和第二代的 IGBT 结
32、构，其采用外延工艺，在 p 型衬底上形成 n 缓冲层，以及其他正面结构。正面结构中，栅极为平面栅。第二代的IGBT 结构在结构上没有大的变化，图形上更精细化，减小了元胞体积。作为最早的申请，RCA 公司的申请 US4364073A（申 请日 1980 年 3 月 25 日）于 1982 年 12 月 14 日被授权，同日， GE 公司关于 IGBT 的论文在 IEDM 上发表。这标志着 IGBT 技术的开始。 西门子公司在该类器件上研究的也较早，在其提交的申请日为 1980 年 6 月 26 日的专利申请 US4502070A（比 US4364073A 晚了 3 个月左右）中，也提出了一种 M
33、OS 器件与晶闸管器件集成的器件结构（该申请于 1985 年 2 月 26 日获得授权）。 http:/ 13 为了提高器件的击穿电压，降低导通电阻，提高开关特性，申请人尝试对元胞的不同部分进行改进。结构上，包括对基区和源区进行改进的，如： US4543596A（西门子， 1982 年1），对体区增加注入区域，以降低导通电阻； US5095343A（ HARRIS， 1988 年），改进表面工作区域，改善正电流温度系数； US5379089A（三菱， 1990 年），对源区进行轻掺杂，提高开关特性； US5753942A（三星， 1995 年），通过改善源接触开口的形状，降低前向电压和 闩锁
34、效应； US5945723A（日立， 1992 年）对源区进行改进，以降低导通电阻，提高击穿电压。对集电区和缓冲区进行改进的，如： US5128277A（东芝， 1985 年），通过控制缓冲层的浓度 来提高器件耐压和开关速度； US6091087A（富士， 1997 年），通过对发射区进行改进，提高击穿电压。对栅电极进行改进的，如 US4994871A（通用， 1988 年），提供 U型栅结构，以降低单元尺寸，减小导通电阻； US5541425A（三菱， 1994 年），其提出在传统的 PT 结构中，采用沟槽栅结构替代平面栅，以降低导通电阻，提高器件特性。 2000 年以后，对第一和第二代器件
35、的申请变得很少，市场关注的主要器件类型已经转移到 NPT 器件和 FS 器件上。 2、平面栅非穿通（ NPT）结构 平面栅 NPT 结构出现在 80 年代 末期，作为第三代 IGBT 结构，其厚度有了明显的改善，参数折中方面也较第一和第二代穿通结构有了明显改进。各主要申请人在开始对涉及该结构的专利进行申请的时间较接近，主要集中在 19861988 年之间（ US5132766A，西门子， 1987年； JP11-35071A，富士， 1987 年； US4857983A，通用， 1987 年； JP11-09769A，三菱， 1987年）。在专利布局上，基本以美国、欧洲和德国为主。结构上，对基
36、区和源区进行改进，如：东芝的申请 US5444271A（ 1993 年）控制各区域的厚度及掺杂浓度， 以降低导通电阻和开启电压，进而降低开关时间； US6646304A（英飞凌， 1998 年）在源区设置浮岛结构，以提高击穿电压； JP2004-228533A（三星， 2002 年）形成条带型源区，在条带型源区上形成条带型电极以及大小变化的电极连接点，以降低短路电阻，提高大电流能力； CN100499159C （ ABB， 2003 年）设置双重基区结构，减少沟道中生成雪崩的空穴的移动，从而防止了早期的闩锁。对集电极进行改进，如： US4969027A（通用， 1988 年）； US48579
37、83A（三菱，1988 年），增加二极管结构 ，限制了寄生二极管的恢复时间，提高了频率特性； US5668385A（ ABB， 1993 年）采用透明集电极结构，降低衬底厚度的同时，降低开关损耗。对漂移区的改进，如： US2002096708A1（英飞凌， 2000 年），通过在漂移区设置 P-电荷载流子区，提高击穿电压； CN100459151C（北京工业大学， 2007 年）在缓冲层和集电极之间增加载流子寿命控制层，避免了采用高能粒子来提高开关速度，同时具有通态电压正温度系数；CN102208439A（新电元工业株式会社， 2010 年）在漂移区增加低减层，提高开关特性。 3、沟槽栅非穿通
38、（ NPT）结构 1 本节括号中的年指专利申请的最早优先权日所在的年份。 http:/ 14 沟槽栅 NPT 结构出现在 90 年代中期，作为第四代 IGBT 结构，其通过沟槽栅的引入，进一步降低了导通电阻。早期关于沟槽栅 NPT 的申请包括 US5869864A（西门子， 1994 年 ）、US5714775A（东芝， 1995 年 ）、 US5578522A（三菱， 1994 年 ）等。结构上，对基区和源区进行改进，如： US2002142527A（英飞凌， 1999 年）对体区和漂移区增加 P 型掺杂岛，以减小沟道长度，提高击穿电压； CN101000911A（电装， 2006 年），形
39、成具有浓度梯度的基区； CN1823419A（丰田自动车， 2003 年）、改善发射极开口的形状，改善器件安全工作区域。对栅极进行改进，如： US2002006703A（英飞凌， 1998 年）对沟槽电极的结构布局进行了改进，使得源高掺杂区域在体区中与沟槽保持特定距离，以改善栅的热损伤；CN1379479A（东芝， 2001 年）增加沟槽的深度，使其贯穿基区，从而降低导通电阻； JP2009170670A（丰田， 2008 年）这是伪栅极的位置及深度； CN102347215A（英飞凌， 2010年 ）形成带电荷的栅介电层，以防止电特性的劣化。 CN100573910C（三菱， 2003 年）
40、、CN100490172C（电装， 2005 年）、 CN101325215B（三洋， 2007 年）调整沟槽栅的宽度和间隔，以增加电流密度。对集电区和漂移区的改进，如： CN101330103B（三菱， 2003 年）将起到 FWD 作用的二极管通过在集电区的 P 型和 N 型区域设置在元胞内部，改善二极管单元的恢复特性； CN1711643A（ NXP， 2002 年）形成漂移区和沟道容纳区并置的局部化区域。 从涉及的公司角度看，英飞凌公司对 NPT 型器件的研发较多。这与其提供的 NPT 系列器件较多和较成熟是相 应的。 4、平面栅场截止 (FS)结构 场截止结构的出现是 IGBT 结构
41、的一个突破，进一步提高了工作频率，降低了导通损耗，通态压降小。场截止结构结合了穿通和非穿通类型器件的优点，硅片厚度比非穿通器件薄了约 1/3，有效降低了漂移层的厚度。 最早的关于平面栅 FS 结构的申请出现在 80 年代末，如 JP396281A（富士， 1989 年）、 http:/ 15 1 9 8 0 1 9 8 1 1 9 8 5 1 9 8 6 1 9 9 0 1 9 9 1 1 9 9 5 1 9 9 6 2 0 0 0 2 0 0 1 2 0 0 5 2 0 0 6 2 0 1 0U S 4 3 6 1 0 7 3 AR C AU S 4 5 0 2 0 7 0 A西 门 子J
42、P 1 1 - 3 5 0 7 1 A富 士U S 5 1 2 8 2 7 7 A控 制 缓 冲 层 浓 度U S 5 1 3 2 7 6 6 A西 门 子U S 5 8 6 9 8 6 4 A西 门 子U S 4 6 4 1 1 6 3 A改 进 安 全 工 作 区 域U S 4 5 4 3 5 9 6 A增 加 注 入 区 域U S 5 0 9 5 3 4 3 A改 进 表 面 工 作 区 域U S 5 7 5 3 9 4 2 A改 进 源 布 局U S 5 3 7 9 0 8 9 A轻 磷 掺 杂 源U S 6 0 9 1 0 8 7 A改 进 发 射 区U S 5 9 4 5 7 2
43、3 A改 进 发 射 区U S 6 6 4 6 3 0 4 A源 区 设 置 浮 岛U S 2 0 0 2 0 9 6 7 0 8 A漂 移 区 设 置 P -电 荷 载 流 子 区U S 4 8 5 7 9 8 3 A通 用U S 5 4 1 4 2 9 0 A自 对 准 ， 版 图U S 5 6 6 8 3 8 5 A透 明 集 电 极U S 5 4 4 4 2 7 1 A控 制 各 区 域 的 厚度 及 掺 杂 浓 度C N 1 0 0 4 9 9 1 5 9 C设 置 双 重 基 区J P 2 0 0 4 2 8 8 5 3 3 A条 带 型 源 区 及 电 极C N 1 0 2 2
44、0 8 4 3 9 A漂 移 区 增 加 递 减 层C N 1 0 0 4 5 9 1 5 1 C缓 冲 层 和 集 电 极 间 增加 载 流 子 寿 命 控 制 层U S 4 9 9 4 8 7 1 A提 供 U 型 栅 结 构U S 5 7 1 4 7 7 5 A东 芝U S 5 5 7 8 5 2 2 A三 菱U S 2 0 0 2 0 0 6 7 0 3 A体 区 增 加 重 掺 杂 区U S 2 0 0 2 1 4 2 5 2 7 A体 区 和 漂 移 区 这 是 P型 掺 杂 岛C N 1 8 2 3 4 7 9 A改 善 发 射 集 开 口C N 1 3 7 9 4 7 9 A沟
45、 槽 贯 穿 基 区C N 1 0 1 3 3 0 1 0 3 B漂 移 区 内 设 置 控 制 区C N 1 0 1 3 3 0 1 0 3 A在 集 电 区 设 置 F W DC N 1 7 1 1 6 4 3 A漏 极 漂 移 区 与 沟 道 容纳 区 并 置 的 局 部 化 区C N 1 0 1 0 0 0 9 1 1 A具 有 浓 度 梯 度 的 基 区集 电 极 形 成 二 极 管 区J P 2 0 0 9 1 7 0 6 7 0 A伪 栅 的 位 置 和 深 度集 电 极 形 成 二 极 管 区C N 1 0 2 3 4 7 2 1 5 A栅 介 电 层 为带 电 电 解 质 层
46、J P 3 - 9 6 2 8 1 A富 士U S 4 9 2 0 0 6 2 A东 芝W O 9 9 3 9 3 8 8 A 1西 门 子U S 5 4 6 6 9 5 1 A低 导 通 电 阻 ， 拖 尾电 流 不 随 温 度 变 化E P 2 3 3 3 8 3 9 A缓 冲 层 浓 度 控 制U S 2 0 0 4 1 3 3 7 6 6 5 A 1改 变 缓 冲 区 位 置U S 2 0 0 5 1 6 1 7 4 6 A 1改 进 缓 冲 层U S 2 0 0 6 2 0 3 1 2 2 A控 制 缓 冲 层 浓 度U S 2 0 0 7 2 8 1 4 4 2 A 1多 层 缓
47、冲 层C N 1 0 1 8 9 7 0 2 7 A栅 绝 缘 膜 下 有 突 出 部U S 7 9 9 9 3 1 7 B 2发 射 区 侧 形 成 低 电 阻C N 1 8 4 1 7 6 9 A降 低 集 电 极 注 入 效 率U S 6 0 4 0 5 9 9 A三 菱C N 1 2 5 9 7 6 3 AA B B J P 2 0 0 0 - 2 6 9 4 8 6 A东 芝 U S 6 6 2 1 1 3 2 B 2超 结C N 1 4 1 8 3 7 7 A增 加 伪 栅 作 为稳 定 性 平 板U S 2 0 0 5 1 7 9 0 8 3 A 1设 置 P + 接 触 区 ， 控制 基 区 宽 带 2 u mC N 1 0 0 5 2 7 4 1 7 C设 置 伪 单 元U S 7 9 4 3 9 9 1 B 2漂 移 区 超 结C N 1 0 2 3 7 6 7 0 9 A基 区 下 形 成 N 扩 散 层C N 1 0 1 5 8 2 4 4 3 B特 定 电 荷 积 累 层 厚 度C N 1 0 2 5 9 3 1 6 8 AR C - I G B T 漂 移 区U S 5 5 4 1 4 2 5 A提 供 沟 槽 栅 结 构U S 2 0 0 9
