高壓高性能LIGBT器件新結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、橫向絕緣柵雙極型晶體管(Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor，簡(jiǎn)稱LIGBT)具有導(dǎo)通電壓低、輸入阻抗高、電流能力強(qiáng)、耐壓特性高、熱穩(wěn)定性好和可集成性等優(yōu)點(diǎn)，是功率半導(dǎo)體器件的典型代表。近年來，絕緣體上硅(Silicon On Insulator，簡(jiǎn)稱 SOI)技術(shù)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(yīng)用于汽車電子、開關(guān)電源等智能

2、功率集成電路中。雖然漂移區(qū)內(nèi)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使LIGBT具有較低的導(dǎo)通壓降，但在關(guān)斷時(shí)存儲(chǔ)于漂移區(qū)內(nèi)的大量非平衡載流子需要抽出或者復(fù)合，導(dǎo)致LIGBT具有較高的關(guān)斷損耗，限制了其應(yīng)用。因此，探究LIGBT關(guān)斷內(nèi)部機(jī)理、研究高性能LIGBT器件新結(jié)構(gòu)以改善導(dǎo)通壓降與關(guān)斷損耗之間的矛盾關(guān)系，一直為學(xué)術(shù)和工程界研究的重要課題。本文針對(duì)導(dǎo)通壓降與關(guān)斷損耗的折衷關(guān)系，探究降低LIGBT關(guān)斷損耗的途徑，研究關(guān)斷時(shí)非平衡載流子抽出與耗盡層結(jié)電容關(guān)系、導(dǎo)

3、通時(shí)載流子分布與空穴阻擋勢(shì)壘關(guān)系的關(guān)鍵問題，提出P型埋層LIGBT器件關(guān)斷模型和基于SOI材料的兩類LIGBT器件新結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)器件關(guān)斷損耗的大幅降低。此外，將超結(jié)引入LIGBT中，提出并研制超結(jié)LIGBT器件新結(jié)構(gòu)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴提出P型埋層 LIGBT器件關(guān)斷模型及新結(jié)構(gòu)。關(guān)斷模型包括關(guān)斷損耗模型和dV/dt模型。關(guān)斷損耗模型具有普適性，揭示降低LIGBT關(guān)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(guān)斷時(shí)耗盡層擴(kuò)展的方式，建立dV/dt模型，揭示關(guān)斷時(shí)電壓上升過程中的大電容效應(yīng)。本文提出的LIGBT關(guān)斷模型亦可推廣到超結(jié)IGBT器件中。⑵提出基于增強(qiáng)型槽柵概念的LIGBT器件新結(jié)構(gòu)。新結(jié)構(gòu)包括具有增強(qiáng)型槽柵的SOI LIGBT和雙槽柵載流子存儲(chǔ)SOI LIGBT。具有增強(qiáng)型槽柵的SOI LIGBT將常規(guī)槽柵結(jié)構(gòu)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(dǎo)通時(shí)對(duì)載流子起到阻擋作用，產(chǎn)生載流子存儲(chǔ)效應(yīng)；在關(guān)斷時(shí)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(jié)構(gòu)，在導(dǎo)通壓降為1.1 V時(shí)，關(guān)斷損耗降低59％。提出的雙槽柵載流子存儲(chǔ)SOI LIGBT，通過引入雙槽柵結(jié)構(gòu)和載流子存儲(chǔ)層，解決了具有增強(qiáng)型槽柵的SOI LIGBT中P型阱區(qū)下方載流子濃度低的問題，進(jìn)一步改善了器件導(dǎo)通壓降與關(guān)斷損耗的折衷關(guān)系。⑶設(shè)計(jì)和研制超結(jié)LIGBT器件新結(jié)構(gòu)。將超結(jié)結(jié)構(gòu)引入LIGB

6、T中，提出基于體硅的表面超結(jié)LIGBT和具有部分超結(jié)的薄層SOI LIGBT。本文對(duì)這兩種器件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、開發(fā)相應(yīng)的集成工藝、設(shè)計(jì)版圖、實(shí)驗(yàn)流片，并對(duì)其靜態(tài)和開關(guān)特性進(jìn)行了測(cè)試。基于體硅的表面超結(jié) 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(jié)結(jié)構(gòu)；研制的器件耐壓為693 V、比導(dǎo)通電阻為6.45?·mm2，關(guān)斷曲線驗(yàn)證了P型埋層類LIGBT中存在的大電容效應(yīng)。具有部分超結(jié)的薄層SOI LIGBT