沟槽式场截止型IGBT的设计与仿真

发布时间：2020-05-05 19:05

【摘要】：随着科学技术的飞速发展,电气领域对于电力电子器件的性能要求也越来越高,IGBT作为重要的电力电子器件,其各方面性能也在不断提升。人们不断地对IGBT的结构进行改进,产生的结果就是:器件尺寸与功耗越来越小、性能与折中特性越来越优越。沟槽式场截止型IGBT是当前IGBT中比较先进的,它的场截止结构能够缩小器件的整体尺寸,减少拖尾电流的存在时间并且降低关断功耗。器件的槽栅结构可以去除MOS部分的JFET区域,减少漂移区电阻,从而降低导通电压。因此本论文针对沟槽式场截止型IGBT器件进行设计与仿真。论文包括以下主要内容:论文首先通过仿真实验,比较不同工艺参数对器件性能的影响。仿真结果表明:对于器件的阈值电压Vth,主要的影响参数是栅极的氧化层厚度以及P基区的掺杂浓度;对于器件的击穿电压(BV),主要的影响参数是漂移区的有效厚度和掺杂水平以及场截止层的掺杂浓度;对于器件的导通电压,主要的影响参数是P基区和场截止层的掺杂水平;对于器件的关断时间Toff,主要的影响参数是集电极端P+区的掺杂水平。之后根据仿真结果设计了一款沟槽式场截止型IGBT,通过Sentaurus TCAD的工艺模块建立了器件模型并进行了电学特性测试,测试结果Vth=4.8V、Vcesat=2.76V、BV=1488V、Toff =160ns 与 目标参数 Vth=5V、Vcesat=2.7V、BV=1500V、Toff =170ns误差在百分之十之内,设计符合要求,说明合理控制工艺参数的重要性。IGBT研究的一项重要任务是发展它的紧凑模型。在实际的IGBT中,MOS管沟道(在IGBT的P基区)采用的是变化掺杂。而紧凑模型中通常使用均匀掺杂来描述沟道特性。因此我们希望比较一下MOS管沟道变掺(Gradual)和均匀掺杂(Const)对IGBT的性能影响。此外我们用阶梯掺杂(Step)的沟道来近似变掺(Gradual)沟道。这三种掺杂的器件仿真结果表明:Const模型对实际IGBT器件MOS管沟道的电学特性模拟还有所差距,阶梯掺杂(Step)模型更能模拟实际器件的MOS管沟道特性。这样在紧凑模型中可以采用两个不同阈值电压的MOS管串联来对IGBT中的变掺沟道进行合理的描述。
【图文】：

ＮＰＴ－ＩＧＢＴ），第三个阶段为电场截止邋ＩＧＢＴ邋（Ｆｉｅｌｄ邋Ｓｔｏｐ邋ＩＧＢＴ，简称邋ＦＳ－ＩＧＢＴ）。逡逑１．２．１三种ＩＧＢＴ的结构逡逑？丁－１０８丁斤１１１１￡：１１１＾0１＾１１１０３１＇）结构如图１－１＆）所示，是最“古老”的１０８１＇，在逡逑二十世纪八十年代占据主要地位，英飞凌第一代ＩＧＢＴ就是采用的ＰＴ技术１？１］。逡逑ＰＴ－ＩＧＢＴ的初始材料是高掺杂的Ｐ直拉单晶硅，制备过程中先形成高掺的缓冲层逡逑（Ｎ－ｂｕｆｆｅｒ层），之后以低掺杂浓度的Ｎ－型外延层构成器件的漂移区，然后在正面逡逑通过离子注入构成Ｐ－ｂａｓｅ、Ｎ邋ｓｏｕｒｃｅ作为元胞，最后按照需求减薄Ｐ型衬底。当需逡逑要的产品击穿电压较高时，器件的漂移区厚度比较大，这会使得制作的难度变大同逡逑时提高了生产成本。逡逑ＮＰＴ－ＩＧＢＴ（Ｎｏｎ－Ｐｕｎｃｈ邋Ｔｈｒｏｕｇｈ邋ＩＧＢＴ）结构如图邋１－１邋ｂ）所示，它是西门子在邋１９８７逡逑年推出的，在二十世纪九十年代占据ＩＧＢＴ的主流。英飞凌第二代ＩＧＢＴ采用ＮＰＴ逡逑２逡逑

ＩＧＢＴ具有场效应管的优点，场效应管通过改变栅极的结构形状进而改善器件逡逑的电学特征，ＩＧＢＴ借鉴了场效应管的方法，将器件中的平面型栅极去掉，换成了逡逑沟槽式栅极，继而也就有了现在主流的Ｔｒｅｎｃｈ邋ＩＧＢＴ。如图１－２邋ａ）所示，在槽栅型逡逑ＩＧＢＴ中，过去的平面栅极已经被矩形的沟槽栅极所替代，，这就使得器件元胞变小，逡逑那么在相同大小的一个晶圆上能够嵌入更多的芯片，这也变相的降低了生成成本。逡逑除了面积上的减小，槽栅ＩＧＢＴ还利用干法刻蚀的工艺手段，将以前平面栅下的一逡逑块Ｐ－ｂａｓｅ区内层和整个的ＪＦＥＴ区域给去除了。在平面栅极结构中，ＪＦＥＴ区域的电逡逑阻相对于器件全部电阻来说，比重较高。因为在槽栅ＩＧＢＴ中去除了邋ＪＦＥＴ区域，逡逑那这部分对映的电阻Ｒ；也就没有了，那么在关断功耗相同的条件下，可以用更小的逡逑导通压降是器件开启。当然，槽栅ＩＧＢＴ也有其自身的缺点，一个就是它的制备工逡逑艺流程中
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN322.8

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 徐敏毅;高低压兼容的CMOS门阵列设计[J];固体电子学研究与进展;1988年04期

2 陈星弼,杨功铭;横向结构深结功率MOSFET漂移区的优化设计[J];微电子学;1988年04期

3 赵元富;可集成的高压LDPMOSFET的设计及实验研究[J];微电子学;1989年01期

4 张海鹏;邱晓军;胡晓萍;沈世龙;杨宝;岳亚富;;DRT MC SOI LIGBT器件漂移区新结构的可实现性[J];电子器件;2006年01期

5 李琦;王卫东;赵秋明;晋良念;;薄型双漂移区高压器件新结构的耐压分析[J];微电子学与计算机;2012年02期

6 管小进;王子欧;帅柏林;;DDDMOS特性研究与建模[J];苏州大学学报(工科版);2006年03期

7 朱奎英;钱钦松;孙伟峰;;Double RESURF nLDMOS功率器件的优化设计[J];固体电子学研究与进展;2010年02期

8 罗向东;孙玲;陈海进;刘焱华;孙海燕;徐炜炜;陶涛;程梦璋;景为平;;110V体硅LDMOS器件研究[J];南通大学学报(自然科学版);2008年02期

9 冯银宝;;双漂移区离子注入毫米波雪崩二极管[J];半导体情报;1972年01期

10 张琳娇;杨建红;刘亚虎;朱延超;;短漂移区静电感应晶体管的特性研究[J];半导体技术;2013年03期

相关会议论文 前8条

1 冯松;高勇;杨媛;;1100V IGBT结构参数的分析[A];2008中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会论文摘要集[C];2008年

2 郭宇锋;蹇彤;徐跃;王志功;;一种具有阶梯漂移区的新型SOI横向耐压结构[A];2008中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会论文摘要集[C];2008年

3 杨寿国;罗小蓉;李肇基;张波;;阶梯厚度漂移区SOI新结构耐压分析[A];四川省电子学会半导体与集成技术专委会2006年度学术年会论文集[C];2006年

4 郭宇锋;王志功;;阶梯厚度漂移区SOI横向高压器件[A];第十届中国科协年会论文集（四）[C];2008年

5 孟坚;高珊;陈军宁;柯导明;孙伟锋;时龙兴;徐超;;用阱作高阻漂移区的LDMOS导通电阻的解析模型[A];2005年“数字安徽”博士科技论坛论文集[C];2005年

6 薛谦忠;刘濮鲲;;三腔回旋速调管预群聚电流谐波分量研究[A];中国电子学会真空电子学分会——第十四届年会论文集[C];2004年

7 武洁;方健;李肇基;;单晶扩散型LDMOS特性分析[A];展望新世纪——’02学术年会论文集[C];2002年

8 武洁;方健;李肇基;;单晶扩散型LDMOS特性分析[A];中国电工技术学会电力电子学会第八届学术年会论文集[C];2002年

相关重要报纸文章 前1条

1 张波;SOI：技术瓶颈突破 应用领域扩大[N];中国电子报;2007年

相关博士学位论文 前10条

1 李欢;新型横向功率器件及利用高K介质的终端结构的研究[D];电子科技大学;2018年

2 邓菁;新型横向功率器件的研究及高K介质在耐压层中的应用[D];电子科技大学;2018年

3 杨文伟;SOI RESURF原理研究及SOI LDMOS研制[D];中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）;2004年

4 孟坚;LDMOS的可靠性和温度特性研究[D];安徽大学;2007年

5 高珊;复合栅多阶梯场极板LDMOS电学特性的研究[D];安徽大学;2007年

6 李琦;薄漂移区横向高压器件耐压模型及新结构[D];电子科技大学;2008年

7 伍伟;横向超结器件模型与新结构研究[D];电子科技大学;2014年

8 胡月;基于PSOI的高压LDMOS研究[D];武汉大学;2012年

9 范杰;高压低导通电阻SOI器件模型与新结构[D];电子科技大学;2013年

10 花婷婷;横向集成高压器件纵向掺杂分布优化理论的研究[D];南京邮电大学;2014年

相关硕士学位论文 前10条

1 邹其峰;沟槽式场截止型IGBT的设计与仿真[D];华北电力大学(北京);2018年

2 郝希亮;SOI LDMOS阻断态物理模型的研究[D];杭州电子科技大学;2018年

3 何健;一种3D集成TG DC SOI LIGBT的研究[D];杭州电子科技大学;2018年

4 巩雯雯;GaN基太赫兹IMPATT二极管结构及工艺研究[D];西安电子科技大学;2018年

5 黄琳华;IGBT阳极端电势控制技术与新结构研究[D];电子科技大学;2018年

6 余洋;一种超结SOI LIGBT器件研究[D];电子科技大学;2018年

7 檀长桂;具有槽形结构的应变LDMOS器件研究[D];电子科技大学;2018年

8 章中杰;槽型LDMOS新结构设计与研究[D];长沙理工大学;2017年

9 黄示;硅基横向功率器件耐压新技术—漂移区形状调制技术[D];南京邮电大学;2014年

10 陈银晖;基于体电场调制技术的高压LDMOS器件研究[D];重庆大学;2017年

本文编号：2650616