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引言
自绝缘闸双极型晶体管(IGBT)于上世纪80年代面世以来，一直成为中等功率应用中最常用的部件“1,2”。IGBT兼具金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)的高输入阻抗，以及双极结型晶体管(bipolar junction transistor, BJT)的载流能力，可简化闸极驱动要求，同时增强导通状态性能“3”。它具有低饱和电压、大电流密度、高阻断能力和高达100kHz的频率范围等优点，故能迅速取代较低功率应用中的双极型晶体管，以及较高功率应用中的闸极断流硅控整流体(gate turn-off thyristor, GTO)。
现时的功率电子的发展主要来自功率半导体产品的技术突破，这也同时令市场上出现各种各样专为不同应用而设计的功率部件，而这些功率半导体部件的功率处理能力和部件性能也因着设计技术和制程技术的跃进而获得显着提高。功率电子系统的性能主要取决于系统中的功率半导体部件，它们决定了系统的效率、尺寸和成本。因此，业界研发人员不断致力开发具有最小功耗，而且可靠、易于使用和成本低廉的部件。
商用IGBT产品在1983年面世之后，IGBT部件的额定特性和电气特性一直显着提高。目前市面上除供应600V、1200V、2500V 和 3300V的分离式 IGBT 和 IGBT 模块外，还有各种IGBT模块产品，以及带有内置闸极驱动器、控制及保护功能，且额定功率高达数百kW的IGBT智能功率模块(intelligent power modules, IPM) 。现在采用沟道闸结构和薄晶圆技术的IGBT的传导电压降比二极管稍高，且开关速度高得多。
在中等功率和中频范围，IGBT是运用最广泛的功率半导体部件，普遍用于交流马达驱动、牵引力控制、感应加热系统、不间断电源(uninterruptible power supplies, UPS)和开关模式电源(switch mode power supplies, SMPS)等。目前有数家大型半导体公司在生产各种不同封装的IGBT产品，如图1所示。
绝缘闸双极型晶体管技术的发展趋势
IGBT的发展
IGBT结构是于1982年首次提出“4”，它包含一个由整合式MOSFET驱动的宽基区PNP晶体管，如图2所示。由于MOS闸极结构引起的高输入阻抗，以及n-漂移区少子大量注入造成的低正向电压降，使其可获得极高的功率增益“5”。接着，在80年代初也展开更多关于新型的MOS-双极型混合部件的大规模研究工作“6-9”。
在几家公司开始大量供应IGBT之后，IGBT的设计和制程技术逐渐继续发展，同时部件性能也有了长足的进步。图3显示了IGBT关键技术的主要发展进路。
90年代初期，IGBT开始建基于贯穿(punch-through, PT)型结构，其性能亦随寿命控制制程条件而出现很大的变化范围，对传导损耗和开关能力之间的权衡特性有重大影响。鉴于精细的图案能够把传导损耗降至最低，同时又不影响任何其它电气特性，故图案的精细程度是提高部件性能的关键设计因素。除先进的微影技术之外，90年代中期通道闸技术的出现，也提高了单元的单位密度，从而大大改良了传导损耗。相比平面闸设计，沟道栅结构在短路状态下电流增大，这就意味着它的耐短路能力较差。迄今已有好几种已知的增加短路承受时间的方法，如发射极镇流电阻(emitter-ballast resistance, EBR) “10”、宽单元间距概念“11”，以及采用p+分流器等“12”。图4所示为基本平面型IGBT和沟道型IGBT的横切面视图。
90年代中期，利用先进的垂直功率半导体部件制程，1200V的非贯穿型(NPT)结构IGBT开始投入生产“13”。NPT IGBT是基于薄晶圆制程技术的部件，旨在利用晶圆的漂移层，并同时去除冗余晶圆部分，以维持部件性能。创新性薄晶圆制程的引入，让IGBT能够拓宽额定功率及应用范围。2000年，结合薄晶圆制程和贯穿型概念两者优势的场截止型(field-stop) IGBT问世“14”，随后，弱贯穿(LPT)或低注入贯穿(LiPT)等类似概念也相继推出“15,16”。
最新的 IGBT结构
现时IGBT一般分为两类：PT IGBT 和 NPT IGBT。这些IGBT在制造技术、结构部件、工作期间载流子分布、载流子寿命、传输机制和相应的部件性能方面都各不相同。表1显示PT IGBT 和 NPT IGBT的典型结构，并比较了不同的IGBT概念。
PT IGBT是采用硅磊成长晶圆制造的，成本较NPT IGBT中采用的基板晶圆为高。缓冲区旨在避免形成厚漂移层，同时取得所需的阻断能力，并控制p+集电区的注入效率。除此之外，PT IGBT要通过提高开关特性来获得出色的部件性能，必须采用寿命控制制程，而电子束辐射的均匀性控制或利用质子和氦进行局部控制技术被普遍使用，以达到有关效果。一般而言，PT IGBT的传导损耗和开关损耗之间的权衡性能都比NPT IGBT出色；不过，前者的性能每每容易受温度或热稳定性影响，而其抗短路及抗雪崩能力也不如NPT IGBT。
另一方面，NPT IGBT基于薄晶圆制程技术而制造，而最新的IGBT产品的晶圆厚度要求甚至低至60um，比人的头发丝直径还要小。因此，薄晶圆制程技术不能利用普通功率半导体部件的制程设备来完成。说到量产，要进一步提高基于薄晶圆制程的IGBT部件的性能，就必须解决晶圆减薄制程以及相关单位制程步骤所带来的挑战。一般而言，600V NPT IGBT需要90μm～110μm晶圆，1200V NPT IGBT则采用150μm～200μm晶圆。
图5所示为采用80μm厚的6英寸晶圆制造的IGBT。从图可见，这种薄晶圆非常柔韧，而随着晶圆变得更薄，晶圆翘曲和弓形现像会便变得更加严重。这种不均匀的晶圆每每无法顺利进行连续的生产制程步骤，并有很高的潜在晶圆破损风险，所以要进行量产是非常复杂的事情。
因为NPT IGBT没有采用寿命控制制程，在传导期间，长的载流子寿命会导致电压降变得很低。而且通过优化正极的注入效率，可以实现快速开关能力。此外，薄晶圆特性使NPT IGBT的稳定性及耐用性也远高于PT IGBT，因此NPT结构成为高压IGBT的主要选择。然而要注意的是，任何一个IGBT结构都不可能提供一致最适性，故应该根据既定应用的具体需求来选择IGBT。
同时，为了充分利用薄晶圆技术的优点和贯穿型结构的工作原理， NPT IGBT结构还采用了场截止(field stop, FS)的概念，利用其在关断状态下电场呈梯形分布的特性，以更小的晶圆厚度实现相同的阻断能力(见表1) 。因此，带FS层(FSL)的IGBT拥有比普通 NPT或PT IGBT更佳的权衡性能，故FS IGBT结构被视为最先进的IGBT设计之一。
IGBT的未来概念
虽然场截止IGBT已成功商品化，但业界仍在不断研发各种FS延伸概念，比如弱贯穿 (lightly punch-through, LPT)、薄贯穿(thin-PT)、低注入贯穿(LiPT)和可控贯穿(controlled punch-through, CPT)等“15-18”，而基本上这些概念都与图6所示的场截止IGBT相同。一般而言，场截止层在正面制程之后形成，而从制程的角度来看，IGBT芯片减薄之后就极难形成场截止层。因此，只要减薄PT IGBT就能轻松实现薄型PT IGBT，根本无需在薄晶圆的背面建立场截止层。不过，与传统的PT IGBT不同的是，因为n-缓冲区和P-发射极(正极)的浓度已经优化，薄 PT IGBT 不需要寿命控制制程。
所有这些概念都采用了轻掺杂缓冲区来防止耗尽区向p+集电极扩张。随着集电区厚度减小，IGBT性能便会提高。由于厚度减小，因损耗向p+集电极扩张，击穿电压也会降低。所以，图6(b)所示的传统场截止概念其实存在局限性。不过，在在CPT的p+集电极的某个距离安排了一个窄窄的高斯分布缓冲区，便足以完全截止电场；此外，邻近集电极还有一个缓冲区，专门用来优化双极型晶体管增益。这些分离的缓冲区结构可通过高能注入和退火来形成，为整体部件设计带来了充分的自由度。此外，部件性能也因厚度减小而得以提升，如图6(c)所示。
除了场截止概念外，还有不少已知的先进IGBT概念，可进一步改进现有IGBT设计及技术 “19-23”，主要是涉及对基于薄晶圆的结构中的载流子分布进行优化。为此，载流子储存层(carrier stored layer, CSL)概念便被提出来“16,21”，而它的基本结构是在p-主体之下增加载流子n-层，以在传导状态下保留更多的空穴载流子。从p+集电极注入的少子空穴将被载流子储存层强化(跟二极管相似)，减小了p-主体区下的电阻率，最终降低导通状态下的电压降。同时，载流子储存式沟道型双极晶体管(Carrier Stored Trench-gate Bipolar Transistor，CSTBT)透过增大沟道单元间距，提供足够的抗电路短路能力“15”。此外，电子注入增强闸晶体管(injection enhanced gate transistor, IEGT)或高导电率闸极晶体管(high conductivity gate transistor, HiGT)使用和CSTBT相似的物理原理(如图7所示)，营造同样的空穴载流子储存效应“22,23”。通过优化沟道单元间距和P-基区/沟道深度，可增加空穴载流子密度，从而提高导电率，获得更低的导通状态电压降。
改善IGBT特性的另一种方案是对正极结构进行优化“16,19,20”。结合IEGT 或 HiGT概念，对正极条件进行精密控制或提供新的正极概念，可改进关断特性“16”。此外，最近又提出了一种更能改良开关性能的先进的正极概念，即在N-缓冲层和正极之间插入p-缓冲层，这能有效地把关断转换时的末端电流成分减至最小“19,20”。
这样，IGBT的终极设计似乎是基于电荷平衡的原理，再结合各种先进的IGBT概念“24”。利用电荷平衡的概念(一般称为超结合 super junction)，漂移层的浓度得以增加，同时保留了相同的阻断电压，令超结合MOSFET部件的导通阻抗力比传统MOSFET部件大大减低。这种创新的概念已应用于市售的600V功率MOSFET，如快捷半导体的SuperFETTM就是一例。
由于电荷平衡的原理为功率半导体部件提供了一个新的范式，导致众多与多子超结合部件相关的研究涌现“25-27”。最近，除超结合MOSFET之外，超结合IGBT部件也被广泛探讨，并已显示其出可行性。图8为超结合场截止IGBT的结构，及其与典型 NPT和场截止 IGBT 在仿真部件性能方面的比较。如图所示，超结合场截止(super junction field stop, SJFS) IGBT拥有较明显的优势，因此激发了更多关于该领域的深入研究。
基于超结合IGBT及相关设计考虑事项和实现问题的优化技术，将成为今后IGBT发展的主要研究方向。
与功率MOSFET有别，在不同应用中，IGBT应该反向并联飞轮二极管(free wheeling diode, FWD)。薄晶圆技术和雷射启动制程可实现具有反向二极管并联的单片式整合IGBT，即所谓的短路正极IGBT (shorted anode IGBT, SA-IGBT)，如图9所示。SA-IGBT的配置与传导期间IGBT 和 MOSFET并联的配置相同，即首先是MOSFET在低电流区工作，然后IGBT在高电流区被启动。从MOSFET 到 IGBT的工作模式变化因着传导率调制，使n-漂移区的电阻率减小，这将引起被称为“跳回 (snap-back)”现象的独特行为，如图9(b)所示(设计B)。这种跳回特性主要视乎n+集电极的设计和制造制程而定，如设计A所见，经优化的n+集电极图案并不会出现跳回行为。SA-IGBT的传导损耗和动态损耗之间的权衡与采用相同技术的FS-IGBT很类似，而SA-IGBT因去掉了飞轮二极管，故可为系统设计人员提供大量优势。而未来研究将集中于因应特定应用而对SA-IGBBT中二极管部分的优化方法。
功率IGBT模块的技术发展趋势
采用功率双极型晶体管的典型模塑型功率模块(图10(a))始于80年代。与传统的盘型模块相比，模塑型模块更适合于量产，并因此逐渐成为工业功率转换系统的主要部件。
虽然大功率应用需要大尺寸IGBT芯片，然而因为闸极氧化层缺陷，使大尺寸IGBT芯片的制造良率偏低，所以IGBT芯片的尺寸一般限制在2～3cm2，而IGBT的功率密度也因这个物理原因受到限制。因此，功率IGBT模块的概念其实是把好几个IGBT芯片的并联，以建立一个单封装大功率部件。功率模块的主要功用为提高电流容量，而模块内的二极管、闸极驱动电路和过流/短路/过热/过压等保护电路则可提供更多附加功能。
功率IGBT模块技术其他革命性变化还包括整合了高度功能性部件与功率半导体部件的智能功率模块(IPM)，以及随后推出基于引线框架和转移模塑的DIP-IPM (图10 (b))，而后者已普遍应用于家电的可变速驱动功能。
实现IPM和DIP-IPM的核心技术是驱动部件的整合，而这可归功于HVIC的重大进步；而今天，以这种方式可驱动额定电流高达50A的芯片。此外，如DBC (直接键合铜, direct-bonded copper) 或 IMS (绝缘金属基板, insulated metal substrate)等基板材料的先进发展改善了散热能力，对提升功率模块技术方面也功不可没。
现代功率模块技术在三方面有显着的进展。首先，标准功率模块通过提高散热能力并采用无接触闸极终端，令尺寸更小巧，也同时为大功率应用中的并联工作带来好处。其次，DIP-IPM 主要是为家电应用而设计的，并采用1200V HVIC，并正在以小型化、整合化和高达100A的额定电流为发展目标。
最后，IPM则主要用于需要高可靠性的应用，并由于其在混合电动车(hybrid electric vehicle, HEV)应用中获普及使用而获迅速发展。因为HEV应用的环境非常恶劣，所以其功率模块需要有超高耐用性和高整合度，以适应长期运作的需要。有鉴于此，用于HEV应用的IPM已配备内置驱动电路和具有电流传感器和温度传感器的保护电路。
功率模块的发展趋势是通过整合多种功能，以增强长期的可靠性，令运作更安全。因此，IPM作为一种增值产品，正不断加速发展。为了提高功率模块的功率密度，并同时维持低成本和高可靠性，把驱动及保护电路标准化，并将众多隔离模块整合在单一功率系统模块中，将是未来趋势。总而言之，功率模块的能力的主要重点是通过重建非标准化部件并采用新方案，实现系统整合化。
结语
最近10年，随着设计和制程技术愈来愈先进，功率半导体部件性能取得大幅进步，而电子系统的电气性能也因此有了显着提升，同时，部件的尺寸、重量逐渐减小，而最关键的成本因素也大大降低。在各种功率半导体部件中，IGBT由于适用于从小型家电到中型工业设备的各类型功率电子产品，故将成为电源产业的主要半导体部件。目前，只有寥寥数家功率半导体制造商能够提供业界所需的功率IGBT及其模块，故电源产业的大部分技术都依赖于其它发达国家。
有鉴于此，为了推动自主开发功率IGBT部件及相关功率模块技术，韩国政府启动了一个为期5年的企划“Power IT”，以促进功率半导体及相关产业发展。由于这个项目进展顺利，预计功率半导体技术将成为发展大功率半导体产业的基础，并带动韩国乃至全球更多创新的开发工作。另外，半导体制造商等电源产业将在技术上自主自立，并能够把握良好的商机，最终在不断增长的功率半导体市场获得更大的占有率，为功率半导体成为韩国支柱产业定下基础。
自绝缘闸双极型晶体管(IGBT)于上世纪80年代面世以来，一直成为中等功率应用中最常用的部件“1,2”。IGBT兼具金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)的高输入阻抗，以及双极结型晶体管(bipolar junction transistor, BJT)的载流能力，可简化闸极驱动要求，同时增强导通状态性能“3”。它具有低饱和电压、大电流密度、高阻断能力和高达100kHz的频率范围等优点，故能迅速取代较低功率应用中的双极型晶体管，以及较高功率应用中的闸极断流硅控整流体(gate turn-off thyristor, GTO)。
现时的功率电子的发展主要来自功率半导体产品的技术突破，这也同时令市场上出现各种各样专为不同应用而设计的功率部件，而这些功率半导体部件的功率处理能力和部件性能也因着设计技术和制程技术的跃进而获得显着提高。功率电子系统的性能主要取决于系统中的功率半导体部件，它们决定了系统的效率、尺寸和成本。因此，业界研发人员不断致力开发具有最小功耗，而且可靠、易于使用和成本低廉的部件。
商用IGBT产品在1983年面世之后，IGBT部件的额定特性和电气特性一直显着提高。目前市面上除供应600V、1200V、2500V 和 3300V的分离式 IGBT 和 IGBT 模块外，还有各种IGBT模块产品，以及带有内置闸极驱动器、控制及保护功能，且额定功率高达数百kW的IGBT智能功率模块(intelligent power modules, IPM) 。现在采用沟道闸结构和薄晶圆技术的IGBT的传导电压降比二极管稍高，且开关速度高得多。
在中等功率和中频范围，IGBT是运用最广泛的功率半导体部件，普遍用于交流马达驱动、牵引力控制、感应加热系统、不间断电源(uninterruptible power supplies, UPS)和开关模式电源(switch mode power supplies, SMPS)等。目前有数家大型半导体公司在生产各种不同封装的IGBT产品，如图1所示。
绝缘闸双极型晶体管技术的发展趋势
IGBT的发展
IGBT结构是于1982年首次提出“4”，它包含一个由整合式MOSFET驱动的宽基区PNP晶体管，如图2所示。由于MOS闸极结构引起的高输入阻抗，以及n-漂移区少子大量注入造成的低正向电压降，使其可获得极高的功率增益“5”。接着，在80年代初也展开更多关于新型的MOS-双极型混合部件的大规模研究工作“6-9”。
在几家公司开始大量供应IGBT之后，IGBT的设计和制程技术逐渐继续发展，同时部件性能也有了长足的进步。图3显示了IGBT关键技术的主要发展进路。
90年代初期，IGBT开始建基于贯穿(punch-through, PT)型结构，其性能亦随寿命控制制程条件而出现很大的变化范围，对传导损耗和开关能力之间的权衡特性有重大影响。鉴于精细的图案能够把传导损耗降至最低，同时又不影响任何其它电气特性，故图案的精细程度是提高部件性能的关键设计因素。除先进的微影技术之外，90年代中期通道闸技术的出现，也提高了单元的单位密度，从而大大改良了传导损耗。相比平面闸设计，沟道栅结构在短路状态下电流增大，这就意味着它的耐短路能力较差。迄今已有好几种已知的增加短路承受时间的方法，如发射极镇流电阻(emitter-ballast resistance, EBR) “10”、宽单元间距概念“11”，以及采用p+分流器等“12”。图4所示为基本平面型IGBT和沟道型IGBT的横切面视图。
90年代中期，利用先进的垂直功率半导体部件制程，1200V的非贯穿型(NPT)结构IGBT开始投入生产“13”。NPT IGBT是基于薄晶圆制程技术的部件，旨在利用晶圆的漂移层，并同时去除冗余晶圆部分，以维持部件性能。创新性薄晶圆制程的引入，让IGBT能够拓宽额定功率及应用范围。2000年，结合薄晶圆制程和贯穿型概念两者优势的场截止型(field-stop) IGBT问世“14”，随后，弱贯穿(LPT)或低注入贯穿(LiPT)等类似概念也相继推出“15,16”。
最新的 IGBT结构
现时IGBT一般分为两类：PT IGBT 和 NPT IGBT。这些IGBT在制造技术、结构部件、工作期间载流子分布、载流子寿命、传输机制和相应的部件性能方面都各不相同。表1显示PT IGBT 和 NPT IGBT的典型结构，并比较了不同的IGBT概念。
PT IGBT是采用硅磊成长晶圆制造的，成本较NPT IGBT中采用的基板晶圆为高。缓冲区旨在避免形成厚漂移层，同时取得所需的阻断能力，并控制p+集电区的注入效率。除此之外，PT IGBT要通过提高开关特性来获得出色的部件性能，必须采用寿命控制制程，而电子束辐射的均匀性控制或利用质子和氦进行局部控制技术被普遍使用，以达到有关效果。一般而言，PT IGBT的传导损耗和开关损耗之间的权衡性能都比NPT IGBT出色；不过，前者的性能每每容易受温度或热稳定性影响，而其抗短路及抗雪崩能力也不如NPT IGBT。
另一方面，NPT IGBT基于薄晶圆制程技术而制造，而最新的IGBT产品的晶圆厚度要求甚至低至60um，比人的头发丝直径还要小。因此，薄晶圆制程技术不能利用普通功率半导体部件的制程设备来完成。说到量产，要进一步提高基于薄晶圆制程的IGBT部件的性能，就必须解决晶圆减薄制程以及相关单位制程步骤所带来的挑战。一般而言，600V NPT IGBT需要90μm～110μm晶圆，1200V NPT IGBT则采用150μm～200μm晶圆。
图5所示为采用80μm厚的6英寸晶圆制造的IGBT。从图可见，这种薄晶圆非常柔韧，而随着晶圆变得更薄，晶圆翘曲和弓形现像会便变得更加严重。这种不均匀的晶圆每每无法顺利进行连续的生产制程步骤，并有很高的潜在晶圆破损风险，所以要进行量产是非常复杂的事情。
因为NPT IGBT没有采用寿命控制制程，在传导期间，长的载流子寿命会导致电压降变得很低。而且通过优化正极的注入效率，可以实现快速开关能力。此外，薄晶圆特性使NPT IGBT的稳定性及耐用性也远高于PT IGBT，因此NPT结构成为高压IGBT的主要选择。然而要注意的是，任何一个IGBT结构都不可能提供一致最适性，故应该根据既定应用的具体需求来选择IGBT。
同时，为了充分利用薄晶圆技术的优点和贯穿型结构的工作原理， NPT IGBT结构还采用了场截止(field stop, FS)的概念，利用其在关断状态下电场呈梯形分布的特性，以更小的晶圆厚度实现相同的阻断能力(见表1) 。因此，带FS层(FSL)的IGBT拥有比普通 NPT或PT IGBT更佳的权衡性能，故FS IGBT结构被视为最先进的IGBT设计之一。
IGBT的未来概念
虽然场截止IGBT已成功商品化，但业界仍在不断研发各种FS延伸概念，比如弱贯穿 (lightly punch-through, LPT)、薄贯穿(thin-PT)、低注入贯穿(LiPT)和可控贯穿(controlled punch-through, CPT)等“15-18”，而基本上这些概念都与图6所示的场截止IGBT相同。一般而言，场截止层在正面制程之后形成，而从制程的角度来看，IGBT芯片减薄之后就极难形成场截止层。因此，只要减薄PT IGBT就能轻松实现薄型PT IGBT，根本无需在薄晶圆的背面建立场截止层。不过，与传统的PT IGBT不同的是，因为n-缓冲区和P-发射极(正极)的浓度已经优化，薄 PT IGBT 不需要寿命控制制程。
所有这些概念都采用了轻掺杂缓冲区来防止耗尽区向p+集电极扩张。随着集电区厚度减小，IGBT性能便会提高。由于厚度减小，因损耗向p+集电极扩张，击穿电压也会降低。所以，图6(b)所示的传统场截止概念其实存在局限性。不过，在在CPT的p+集电极的某个距离安排了一个窄窄的高斯分布缓冲区，便足以完全截止电场；此外，邻近集电极还有一个缓冲区，专门用来优化双极型晶体管增益。这些分离的缓冲区结构可通过高能注入和退火来形成，为整体部件设计带来了充分的自由度。此外，部件性能也因厚度减小而得以提升，如图6(c)所示。
除了场截止概念外，还有不少已知的先进IGBT概念，可进一步改进现有IGBT设计及技术 “19-23”，主要是涉及对基于薄晶圆的结构中的载流子分布进行优化。为此，载流子储存层(carrier stored layer, CSL)概念便被提出来“16,21”，而它的基本结构是在p-主体之下增加载流子n-层，以在传导状态下保留更多的空穴载流子。从p+集电极注入的少子空穴将被载流子储存层强化(跟二极管相似)，减小了p-主体区下的电阻率，最终降低导通状态下的电压降。同时，载流子储存式沟道型双极晶体管(Carrier Stored Trench-gate Bipolar Transistor，CSTBT)透过增大沟道单元间距，提供足够的抗电路短路能力“15”。此外，电子注入增强闸晶体管(injection enhanced gate transistor, IEGT)或高导电率闸极晶体管(high conductivity gate transistor, HiGT)使用和CSTBT相似的物理原理(如图7所示)，营造同样的空穴载流子储存效应“22,23”。通过优化沟道单元间距和P-基区/沟道深度，可增加空穴载流子密度，从而提高导电率，获得更低的导通状态电压降。
改善IGBT特性的另一种方案是对正极结构进行优化“16,19,20”。结合IEGT 或 HiGT概念，对正极条件进行精密控制或提供新的正极概念，可改进关断特性“16”。此外，最近又提出了一种更能改良开关性能的先进的正极概念，即在N-缓冲层和正极之间插入p-缓冲层，这能有效地把关断转换时的末端电流成分减至最小“19,20”。
这样，IGBT的终极设计似乎是基于电荷平衡的原理，再结合各种先进的IGBT概念“24”。利用电荷平衡的概念(一般称为超结合 super junction)，漂移层的浓度得以增加，同时保留了相同的阻断电压，令超结合MOSFET部件的导通阻抗力比传统MOSFET部件大大减低。这种创新的概念已应用于市售的600V功率MOSFET，如快捷半导体的SuperFETTM就是一例。
由于电荷平衡的原理为功率半导体部件提供了一个新的范式，导致众多与多子超结合部件相关的研究涌现“25-27”。最近，除超结合MOSFET之外，超结合IGBT部件也被广泛探讨，并已显示其出可行性。图8为超结合场截止IGBT的结构，及其与典型 NPT和场截止 IGBT 在仿真部件性能方面的比较。如图所示，超结合场截止(super junction field stop, SJFS) IGBT拥有较明显的优势，因此激发了更多关于该领域的深入研究。
基于超结合IGBT及相关设计考虑事项和实现问题的优化技术，将成为今后IGBT发展的主要研究方向。
与功率MOSFET有别，在不同应用中，IGBT应该反向并联飞轮二极管(free wheeling diode, FWD)。薄晶圆技术和雷射启动制程可实现具有反向二极管并联的单片式整合IGBT，即所谓的短路正极IGBT (shorted anode IGBT, SA-IGBT)，如图9所示。SA-IGBT的配置与传导期间IGBT 和 MOSFET并联的配置相同，即首先是MOSFET在低电流区工作，然后IGBT在高电流区被启动。从MOSFET 到 IGBT的工作模式变化因着传导率调制，使n-漂移区的电阻率减小，这将引起被称为“跳回 (snap-back)”现象的独特行为，如图9(b)所示(设计B)。这种跳回特性主要视乎n+集电极的设计和制造制程而定，如设计A所见，经优化的n+集电极图案并不会出现跳回行为。SA-IGBT的传导损耗和动态损耗之间的权衡与采用相同技术的FS-IGBT很类似，而SA-IGBT因去掉了飞轮二极管，故可为系统设计人员提供大量优势。而未来研究将集中于因应特定应用而对SA-IGBBT中二极管部分的优化方法。
功率IGBT模块的技术发展趋势
采用功率双极型晶体管的典型模塑型功率模块(图10(a))始于80年代。与传统的盘型模块相比，模塑型模块更适合于量产，并因此逐渐成为工业功率转换系统的主要部件。
虽然大功率应用需要大尺寸IGBT芯片，然而因为闸极氧化层缺陷，使大尺寸IGBT芯片的制造良率偏低，所以IGBT芯片的尺寸一般限制在2～3cm2，而IGBT的功率密度也因这个物理原因受到限制。因此，功率IGBT模块的概念其实是把好几个IGBT芯片的并联，以建立一个单封装大功率部件。功率模块的主要功用为提高电流容量，而模块内的二极管、闸极驱动电路和过流/短路/过热/过压等保护电路则可提供更多附加功能。
功率IGBT模块技术其他革命性变化还包括整合了高度功能性部件与功率半导体部件的智能功率模块(IPM)，以及随后推出基于引线框架和转移模塑的DIP-IPM (图10 (b))，而后者已普遍应用于家电的可变速驱动功能。
实现IPM和DIP-IPM的核心技术是驱动部件的整合，而这可归功于HVIC的重大进步；而今天，以这种方式可驱动额定电流高达50A的芯片。此外，如DBC (直接键合铜, direct-bonded copper) 或 IMS (绝缘金属基板, insulated metal substrate)等基板材料的先进发展改善了散热能力，对提升功率模块技术方面也功不可没。
现代功率模块技术在三方面有显着的进展。首先，标准功率模块通过提高散热能力并采用无接触闸极终端，令尺寸更小巧，也同时为大功率应用中的并联工作带来好处。其次，DIP-IPM 主要是为家电应用而设计的，并采用1200V HVIC，并正在以小型化、整合化和高达100A的额定电流为发展目标。
最后，IPM则主要用于需要高可靠性的应用，并由于其在混合电动车(hybrid electric vehicle, HEV)应用中获普及使用而获迅速发展。因为HEV应用的环境非常恶劣，所以其功率模块需要有超高耐用性和高整合度，以适应长期运作的需要。有鉴于此，用于HEV应用的IPM已配备内置驱动电路和具有电流传感器和温度传感器的保护电路。
功率模块的发展趋势是通过整合多种功能，以增强长期的可靠性，令运作更安全。因此，IPM作为一种增值产品，正不断加速发展。为了提高功率模块的功率密度，并同时维持低成本和高可靠性，把驱动及保护电路标准化，并将众多隔离模块整合在单一功率系统模块中，将是未来趋势。总而言之，功率模块的能力的主要重点是通过重建非标准化部件并采用新方案，实现系统整合化。
结语
最近10年，随着设计和制程技术愈来愈先进，功率半导体部件性能取得大幅进步，而电子系统的电气性能也因此有了显着提升，同时，部件的尺寸、重量逐渐减小，而最关键的成本因素也大大降低。在各种功率半导体部件中，IGBT由于适用于从小型家电到中型工业设备的各类型功率电子产品，故将成为电源产业的主要半导体部件。目前，只有寥寥数家功率半导体制造商能够提供业界所需的功率IGBT及其模块，故电源产业的大部分技术都依赖于其它发达国家。
有鉴于此，为了推动自主开发功率IGBT部件及相关功率模块技术，韩国政府启动了一个为期5年的企划“Power IT”，以促进功率半导体及相关产业发展。由于这个项目进展顺利，预计功率半导体技术将成为发展大功率半导体产业的基础，并带动韩国乃至全球更多创新的开发工作。另外，半导体制造商等电源产业将在技术上自主自立，并能够把握良好的商机，最终在不断增长的功率半导体市场获得更大的占有率，为功率半导体成为韩国支柱产业定下基础。
