高壓高性能LIGBT器件新結構研究.pdf

1、橫向絕緣柵雙極型晶體管(Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor，簡稱LIGBT)具有導通電壓低、輸入阻抗高、電流能力強、耐壓特性高、熱穩(wěn)定性好和可集成性等優(yōu)點，是功率半導體器件的典型代表。近年來，絕緣體上硅(Silicon On Insulator，簡稱 SOI)技術發(fā)展迅速，相比體硅材料，其具有更高的器件集成度、更好的隔離性和抗輻照能力，使SOI基LIGBT廣泛應用于汽車電子、開關電源等智能

2、功率集成電路中。雖然漂移區(qū)內(nèi)的電導調(diào)制效應使LIGBT具有較低的導通壓降，但在關斷時存儲于漂移區(qū)內(nèi)的大量非平衡載流子需要抽出或者復合，導致LIGBT具有較高的關斷損耗，限制了其應用。因此，探究LIGBT關斷內(nèi)部機理、研究高性能LIGBT器件新結構以改善導通壓降與關斷損耗之間的矛盾關系，一直為學術和工程界研究的重要課題。本文針對導通壓降與關斷損耗的折衷關系，探究降低LIGBT關斷損耗的途徑，研究關斷時非平衡載流子抽出與耗盡層結電容關系、導

3、通時載流子分布與空穴阻擋勢壘關系的關鍵問題，提出P型埋層LIGBT器件關斷模型和基于SOI材料的兩類LIGBT器件新結構，實現(xiàn)器件關斷損耗的大幅降低。此外，將超結引入LIGBT中，提出并研制超結LIGBT器件新結構。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴提出P型埋層 LIGBT器件關斷模型及新結構。關斷模型包括關斷損耗模型和dV/dt模型。關斷損耗模型具有普適性，揭示降低LIGBT關斷損耗的三種途徑：降低電流積分總電荷Qoff；降低第一階段

4、電壓的平均值VA(I)；增加第一階段電流積分電荷的比例k。根據(jù)P型埋層LIGBT器件關斷時耗盡層擴展的方式，建立dV/dt模型，揭示關斷時電壓上升過程中的大電容效應。本文提出的LIGBT關斷模型亦可推廣到超結IGBT器件中。⑵提出基于增強型槽柵概念的LIGBT器件新結構。新結構包括具有增強型槽柵的SOI LIGBT和雙槽柵載流子存儲SOI LIGBT。具有增強型槽柵的SOI LIGBT將常規(guī)槽柵結構的槽柵位置改變，置于P型阱區(qū)與N型漂移

5、區(qū)之間。槽柵在器件導通時對載流子起到阻擋作用，產(chǎn)生載流子存儲效應；在關斷時可輔助 N型漂移區(qū)耗盡，加快載流子抽取。該器件相比常規(guī)槽柵結構，在導通壓降為1.1 V時，關斷損耗降低59％。提出的雙槽柵載流子存儲SOI LIGBT，通過引入雙槽柵結構和載流子存儲層，解決了具有增強型槽柵的SOI LIGBT中P型阱區(qū)下方載流子濃度低的問題，進一步改善了器件導通壓降與關斷損耗的折衷關系。⑶設計和研制超結LIGBT器件新結構。將超結結構引入LIGB

6、T中，提出基于體硅的表面超結LIGBT和具有部分超結的薄層SOI LIGBT。本文對這兩種器件進行優(yōu)化設計、開發(fā)相應的集成工藝、設計版圖、實驗流片，并對其靜態(tài)和開關特性進行了測試?；隗w硅的表面超結 LIGBT，該器件在漂移區(qū)表面相繼注入不同深度的P型雜質(zhì)和N型雜質(zhì)，形成縱向疊層超結結構；研制的器件耐壓為693 V、比導通電阻為6.45?·mm2，關斷曲線驗證了P型埋層類LIGBT中存在的大電容效應。具有部分超結的薄層SOI LIGBT