阱复用LIGBT与矩阵式驱动电路研究

发布时间：2019-07-27 09:29

【摘要】：SOI(Silicon On Insulator,绝缘体上硅)高压功率集成电路由于低功耗、高速、高可靠性等特点近年来是学术和产业研究的热点。SOI基高压功率集成电路可以集成横向绝缘型双极晶体管(Lateral Insulation Gate Bipolor Transistor,LIGBT),LIGBT器件具有BJT(Bipolar Junction Transistor,双极结式晶体管)器件电流能力强和LDMOS(Lateral Double-diffused Metal Oxide Semicondutor)器件开关速度快的两重优势,是近年来中高压功率集成电路中的重要器件,广泛应用在智能家电、智能家居、汽车电子、照明等领域。如何制造高性能、高可靠性和低成本的SOI高压功率集成电路是众多研究学者的关注热点之一。本论文围绕高性能、高可靠性和低成本三个方面,对SOI LIGBT器件及其电路进行研究。提出一种阱复用SOI LIGBT技术,在保持高性能的同时实现工艺简化。提出一种低谐波电流输出模式,降低多通道输出功率行驱动芯片的低频辐射EMI(Electromagnetic Interference,电磁干扰)。提出将传统线性驱动更改为矩阵式驱动的方法大幅节约芯片面积,最后进行实际流片测试和量产认证。论文取得的主要创新与工作如下:(1)提出阱复用SOI LIGBT技术,简化器件制造工艺。通过将低压CMOS的N-well阱与LIGBT原有独立N-buffer进行复用,在新条件下获得最优器件结构和工艺参数。实验结果显示基于阱复用SOI LIGBT的关态击穿电压达到218 V,开态耐压达到170 V,与原有器件特性一致。(2)基于SOI LIGBT器件和驱动方式,提出低谐波输出电流模式。研究功率驱动集成电路低频辐射超标的原因,依据SOI LIGBT特点进行栅极驱动和调整电流能力,使用延时方法进行扩频处理,控制峰值电流和减少高低压串扰,最终降低30MHz~50MHz之间的辐射电磁谐波分量,将低频辐射准峰值从47 dBμV/m下降为36.8 dBμV/m。(3)基于SOI LIGBT电路和负载特性,提出矩阵驱动结构替代传统线性驱动结构,结合容性负载特性,将SOI LIGBT的电平位移电路从96组降低为22组,并将上拉管驱动能力进行共用减少高压管的面积,最终驱动芯片总面积从20 mm2下降为11.6 mm2,并通过实际流片验证。(4)研究SOI LIGBT工艺和电路测试与可靠性认证,通过对低压CMOS与SOI高压器件融合工艺研究,得到具有容差范围的工艺条件。对耐压时变Walk-out进行分析和提出解决方法。结合在等离子行扫描驱动芯片中的实际应用,详细阐述LIGBT器件和电路的测试认证考核,最终实现超过150 K的量产。
【图文】：

阱复用LIGBT与矩阵式驱动电路研究

包括了 HV-NMOS 和 HV-PMOS 的器件结构，其中 HV-NM在 P 型外延层上，，其漂移区由一个较深的 N 阱构成。HV-NMOS 的漏极器件中央，而源极位于器件的边缘，由于在电路应用中漏极会接高电位漏极做在器件中央可以实现自隔离，使得器件的高压部分对相邻器件影HV-PMOS 器件做在一个深 N 阱中，这就引入了一个寄生 PNP 晶体MOS 的 P-DRIFT 区构成了寄生 PNP 管的发射极，整个器件所在的 N 阱生 PNP 管的基极，而 P 型外延层构成了寄生 PNP 管的集电极。

阱复用LIGBT与矩阵式驱动电路研究

（a）（b）图 1-2 SOI 和体硅材料器件结构图(a)典型 SOI CMOS 器件结构图；(b)典型体硅 CMOS 器件结构图因为最初SOI材料制造困难并且造价昂贵，所以即使SOI技术拥有很多优势，
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN322.8

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