高压高性能LIGBT器件新结构研究

发布时间：2018-11-25 08:00

【摘要】：横向绝缘栅双极型晶体管(Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor,简称LIGBT)具有导通电压低、输入阻抗高、电流能力强、耐压特性高、热稳定性好和可集成性等优点,是功率半导体器件的典型代表。近年来,绝缘体上硅(Silicon On Insulator,简称SOI)技术发展迅速,相比体硅材料,其具有更高的器件集成度、更好的隔离性和抗辐照能力,使SOI基LIGBT广泛应用于汽车电子、开关电源等智能功率集成电路中。虽然漂移区内的电导调制效应使LIGBT具有较低的导通压降,但在关断时存储于漂移区内的大量非平衡载流子需要抽出或者复合,导致LIGBT具有较高的关断损耗,限制了其应用。因此,探究LIGBT关断内部机理、研究高性能LIGBT器件新结构以改善导通压降与关断损耗之间的矛盾关系,一直为学术和工程界研究的重要课题。本文针对导通压降与关断损耗的折衷关系,探究降低LIGBT关断损耗的途径,研究关断时非平衡载流子抽出与耗尽层结电容关系、导通时载流子分布与空穴阻挡势垒关系的关键问题,提出P型埋层LIGBT器件关断模型和基于SOI材料的两类LIGBT器件新结构,实现器件关断损耗的大幅降低。此外,将超结引入LIGBT中,提出并研制超结LIGBT器件新结构。本文主要创新点如下:1.提出P型埋层LIGBT器件关断模型及新结构。关断模型包括关断损耗模型和dV/dt模型。关断损耗模型具有普适性,揭示降低LIGBT关断损耗的三种途径:降低电流积分总电荷Qoff;降低第一阶段电压的平均值A(I)V;增加第一阶段电流积分电荷的比例k。根据P型埋层LIGBT器件关断时耗尽层扩展的方式,建立dV/dt模型,揭示关断时电压上升过程中的大电容效应。本文提出的LIGBT关断模型亦可推广到超结IGBT器件中。提出三种P型埋层类SOI LIGBT器件新结构:(1)具有P型埋层的SOI LIGBT器件。该器件在常规结构的漂移区内引入P型埋层,使器件在关断时出现大电容效应,在低阳极电压下实现大量载流子的抽出,降低关断损耗的三个途径都在该器件得到充分体现。结合模型和仿真,深入研究该器件的关断特性,分析关键参数如P型埋层的浓度NPB、长度LPB、厚度TPB等对器件关断损耗的影响。在导通压降为1.2 V时,该器件关断损耗相比常规结构可降低高达85%。(相关研究发表于IEEE Transactions on Electron Devices,2015,62(11):3774-3780)(2)双栅P型埋层SOI LIGBT器件。该器件在具有P型埋层的SOI LIGBT器件基础上加入一个槽栅形成双栅结构,引入的槽栅起到电子增强注入的效果,进一步降低器件关断损耗。该器件关断损耗比具有P型埋层的SOI LIGBT可再降低40%。(相关研究发表于IEEE ICSICT,2016)(3)具有U型超结的槽型漂移区SOI LIGBT器件。该器件在漂移区内引入二氧化硅槽来承担横向耐压,槽周围被P型掺杂漂移区包围,形成U型超结漂移区结构。该器件保持了P型埋层类LIGBT低关断损耗的同时,可有效屏蔽背栅电压对耐压的影响。本文分析了该器件开关时载流子的运动模式,提出同向异位和反向异位运动模式概念。此外,研究了器件参数和背栅电压对关断和耐压特性的影响。2.提出基于增强型槽栅概念的LIGBT器件新结构。新结构包括具有增强型槽栅的SOI LIGBT和双槽栅载流子存储SOI LIGBT。具有增强型槽栅的SOI LIGBT将常规槽栅结构的槽栅位置改变,置于P型阱区与N型漂移区之间。槽栅在器件导通时对载流子起到阻挡作用,产生载流子存储效应;在关断时可辅助N型漂移区耗尽,加快载流子抽取。该器件相比常规槽栅结构,在导通压降为1.1 V时,关断损耗降低59%。提出的双槽栅载流子存储SOI LIGBT,通过引入双槽栅结构和载流子存储层,解决了具有增强型槽栅的SOI LIGBT中P型阱区下方载流子浓度低的问题,进一步改善了器件导通压降与关断损耗的折衷关系。(相关研究发表于Superlattices and Microstructures,2016,89:179-187和Chinese Physics B,2016,25(12):127304)3.设计和研制超结LIGBT器件新结构。将超结结构引入LIGBT中,提出基于体硅的表面超结LIGBT和具有部分超结的薄层SOI LIGBT。本文对这两种器件进行优化设计、开发相应的集成工艺、设计版图、实验流片,并对其静态和开关特性进行了测试。基于体硅的表面超结LIGBT,该器件在漂移区表面相继注入不同深度的P型杂质和N型杂质,形成纵向叠层超结结构;研制的器件耐压为693 V、比导通电阻为6.45?·mm2,关断曲线验证了P型埋层类LIGBT中存在的大电容效应。具有部分超结的薄层SOI LIGBT在漂移区阴极端和阳极端采用不同厚度的顶层硅,结合薄硅层境界击穿电场高和超结导通电阻小的特点,实现高耐压和低导通电阻;研制的器件耐压为825 V,比导通电阻相比全薄层SOI LIGBT降低60%。
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【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN322.8

【参考文献】