SOI基高速橫向IGBT模型與新結構研究.pdf

1、橫向絕緣柵雙極晶體管(Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor: LIGBT)具有電壓控制、低導通電阻和高輸入阻抗等優(yōu)點，且兼具縱向分立器件所沒有的可集成性和與集成電路工藝兼容，是智能功率集成電路(Smart Power Integrated Circuit:SPIC)中典型的核心器件。近年來，隨著SOI(Silicon On Insulator)基SPIC的快速發(fā)展，其高速、高集成度、高穩(wěn)定性

2、、抗輻照和良好的隔離性等優(yōu)點，使得 SOI-LIGBT越來越受到推崇和關注。雖然基于電導調制效應的雙極載流子輸運機制可使SOI-LIGBT具有低導通壓降和大電流處理能力，但由于器件關斷時漂移區(qū)中存儲的大量非平衡載流子，導致SOI-LIGBT器件有著較長的關斷拖尾現(xiàn)象，增加了器件的開關損耗，限制了SOI-LIGBT的開關頻率和應用范圍。橫向功率器件在耐壓和導通電阻之間的折衷關系進一步限制了 SOI-LIGBT的發(fā)展。同時隨 SOI-LIG

3、BT應用范圍的不斷擴展，諸多新的應用對 SOI-LIGBT器件單元面積、工作效率以及可靠性等提出了更高的要求。因此針對SOI-LIGBT關斷速度慢，安全工作區(qū)窄，溫度特性差等問題的研究意義重大。
　　本文以高速型SOI-LIGBT功率器件為主要研究對象，從高速型集電極短路結構的snapback、高速型槽型結構的耐壓和開關特性等方面進行研究，提出考慮內建勢影響的snapback解析模型，分析了槽型功率器件的耐壓機理和槽型 LIGBT

4、的關斷過程，提出了兩種類型的器件結構并進行了相關實驗研制。另外針對直流和逆變應用提出了具有隧道注入機制的逆導型SOI-LIGBT新結構，并對其進行了討論。主要創(chuàng)新點概括為以下幾個方面：
　　1、提出集電極內建勢調制snapback解析模型。該模型從集電極短路的pn結內建勢出發(fā)，根據肖克萊方程，推導出消除snapback現(xiàn)象需要的電流密度下集電極區(qū)電阻產生的壓降，得出其最小電阻值。同時利用內建勢調制構造集電極短路通道，改善器件的導通

5、特性和關斷特性?；谠撃Ｐ吞岢鋈S橫向 IGBT和二維橫向IGBT的新結構，均無snapback現(xiàn)象。從理論上分析了兩種新器件的工作機理、正向導通和關斷特性，并對其關鍵結構參數(shù)進行了優(yōu)化。三維橫向 IGBT器件獲得了導通電流密度100 A/cm2下正向導通壓降為1.12 V和400 ns的關斷速度，相對于傳統(tǒng)的無snapback現(xiàn)象的SA-LIGBT節(jié)省了30％的芯片面積，同時在在關斷速度上提升了61%。二維橫向 IGBT器件在提升器件

6、耐壓基礎上采用槽型集電極接觸結構進一步減小了芯片面積，通過調節(jié)結構參數(shù)可以消除snapback現(xiàn)象，同時相對槽型LTIGBT在關斷速度上提升了70%。對三維集電極短路LIGBT器件(BIC-LIGBT)進行了實驗研究，在集電極位置采用半封閉的介質隔離槽，測試得到的器件正向導通特性中無 snapback現(xiàn)象，實現(xiàn)了由 LDMOS向 LIGBT工作模式的平滑過渡。
　　2、提出兩種槽型器件新結構。基于槽型器件二維泊松方程的耐壓數(shù)值解以

7、及SOI-LIGBT關斷過程的對比分析研究，在安全工作區(qū)、正向導通壓降以及溫度特性上對深槽p條型LIGBT和雙柵槽型LTIGBT兩種新結構進行了分析。
　?。?）深槽 p條型 LIGBT結構。該結構最重要的特點是緊靠氧化介質槽的位置插入一個條形p型層。條形p型層的引入可以進一步提升耐壓9.4%。在正向安全工作區(qū)上，深槽 p條型 LIGBT結構具有更大的邊界，相對于槽型 SOI-LIGBT結構提升了50%以上的SOA面積。同時在正向

8、導通壓降為1V時，該結構的關斷損耗相對于槽型 SOI-LIGBT結構和常規(guī) SOI-LIGBT分別提高了28.5%和81.2%。
　　（2）雙柵槽型 LTIGBT新結構。該結構在槽型結構基礎上引入了雙柵結構，第二個柵在氧化介質槽中。該結構不僅能夠降低器件的比導通電阻，還能改進器件工作時的溫度特性。結果顯示，在器件元胞尺寸為10.5?m，正向電流密度為700 A/cm2時，器件的比導通電阻為187 m??mm2，擊穿電壓為250 V

9、。其正向導通壓降相對于槽型LTIGBT和常規(guī)LTIGBT分別降低了18%和30.3%。
　　3、提出一種具有隧道注入機制的逆導型 LIGBT新結構。該結構利用隧穿結的反向特性使 LIGBT具備逆導特性。反向導通中通過隧穿結的帶間隧穿機制向漂移區(qū)注入載流子，實現(xiàn)反向導通功能。在仿真分析中，我們采用精確的非局域帶間隧穿模型，該模型能夠解決任意勢壘形狀下的隧穿，同時考慮雜質散射、表面缺陷以及非均勻電場的影響。結果表明，在反向電流密度為1