高速LIGBT電勢控制理論與新結構.pdf

1、眾所周知，絕緣柵雙極性晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）具有驅動功耗低、導通能力強、熱穩(wěn)定性好、耐壓特性高和安全工作區(qū)大等優(yōu)點，既能做成分立器件，又可以集成在體硅基或SOI（Silicon On Insulator）基的功率集成電路中，廣泛的應用于各種電力電子系統(tǒng)，是電導調制新型半導體功率器件的典型代表器件。電導調制效應使IGBT具有較低導通壓降，但與依靠多數(shù)載流子輸運的MOSFET（

2、Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）器件相比，漂移區(qū)存儲的大量非平衡電子空穴對使IGBT關斷速度明顯減慢，限制了應用頻率并增加了開關損耗，成為IGBT進一步應用的主要障礙。尋找提高IGBT關斷速度的新理論和新方法，改善“導通壓降-關斷時間”之間的約束關系成為迄今尚待更好解決的基本問題。
　　本文針對此約束關系，以SOI基高速橫向IGBT器件（SOI LIGBT）為具體

3、研究對象，采用由多數(shù)載流子輸運的單極導通模式向非平衡載流子輸運的雙極導通模式轉變的電勢控制解析分析、數(shù)值仿真和實驗驗證三者相結合的方法，對LIGBT新技術和新結構開展深入研究，提出高速LIGBT電勢控制（PA，Potential-Adjusted）理論及其兩類新結構：電勢控制高速LIGBT器件和三維電勢控制高速LIGBT器件。
　　主要創(chuàng)新點如下：
　　第一、提出高速LIGBT電勢控制（PA）理論（IEEE Electron

4、 Device Letters，2010年5月）。給出的電勢控制PA區(qū)新概念，用以調節(jié)導通態(tài)內置逆向二極管結構的電勢分布、構造關斷態(tài)非平衡載流子的抽出通道，從而改善器件導通態(tài)和關斷態(tài)的電特征，實現(xiàn)器件的無振蕩開啟、大電流導通和高速關斷特性。高速LIGBT電勢控制技術及其指導設計的兩類新結構都是通過增大導通態(tài)時內置逆向二極管結構在陽極區(qū)部分的電勢分布，達到降低由單極導通模式向雙極導通模式轉變的轉變點陽極電壓、消除Snapback現(xiàn)象、增大

5、導通電流，同時實現(xiàn)關斷態(tài)時非平衡載流子的抽出效應、提高關斷速度，優(yōu)化了導通壓降和關斷時間之間的約束關系。表達式Vsb=（1+K·r）V0給出了轉變點陽極電壓Vsb和空穴激發(fā)注入壓降V0（硅材料約為0.7V）之間的關系，說明PA技術指導高速LIGBT器件設計的主要思路是減小電勢控制因子r或三維調節(jié)因子K。典型新結構：雙通道三維PA區(qū)陽極高速LIGBT器件（NPN-NCA-LIGBT），在消除Snapback現(xiàn)象和保持大導通電流能力的前提下

6、，轉變點陽極電壓降至約Vsb=1.1V；并且，NPN-NCA-LIGBT與部分NPN控制陽極LIGBT器件（SA-NPN-LIGBT）和常規(guī)LIGBT器件的關斷時間的比值分別為1:1.57和1:35.58。
　　第二、提出電勢控制高速LIGBT器件。通過提高PA區(qū)的電勢分布減小電勢控制因子 r的取值，該類新結構包括：（1） PA區(qū)陽極高速 LIGBT器件（NCA-LIGBT），清楚的展示了電勢控制 PA區(qū)創(chuàng)新性概念在高速 LIGB

7、T器件設計中所起到的顯著作用，但大導通能力特性有所犧牲，存在進一步改善的潛力；（2）改進型PA區(qū)陽極高速LIGBT器件，包括槽型工藝新結構（TNCA-LIGBT）、埋層新結構（BNCA-LIGBT）和分離陽極新結構（SNCA-LIGBT）等三種器件，是對導通壓降增大的NCA-LIGBT器件的進一步優(yōu)化；（3）增強型PA區(qū)陽極高速LIGBT器件（ENCA-LIGBT），其 PA區(qū)的形成利用了絕緣介質層結構，同時具有陽極掩蔽層的注入增強效應

8、和非平衡載流子的抽出效應；（4）耗盡型 PA區(qū)陽極高速LIGBT器件（DNCA-LIGBT），其電勢控制PA區(qū)在器件的制造過程中由SOI底片的P-區(qū)自動形成，工作中處于耗盡狀態(tài)，簡化了工藝步驟，增強了電勢控制能力。
　　第三、提出三維電勢控制高速LIGBT器件。通過電勢控制抽出結構的三維設計同時減小電勢控制因子r和三維調節(jié)因子 K的取值，該類新結構包括：（1）分段PA區(qū)陽極高速LIGBT器件（Seg-NCA-LIGBT），利用電勢

9、控制PA區(qū)概念和抽出結構的三維設計實現(xiàn)了低導通特性和高速關斷特性之間的方便選擇；（2）雙通道三維PA區(qū)陽極高速LIGBT器件（NPN-NCA-LIGBT），將電勢控制PA區(qū)概念、部分NPN控制陽極概念和抽出結構的三維設計結合在一起，實現(xiàn)了關斷態(tài)非平衡載流子的直接導通模式和NPN反向注入模式的雙通道抽出機制；（3）復合PA區(qū)陽極高速 LIGBT器件，包括常規(guī)型復合陽極新結構（Split-NCA-LIGBT）和透明型復合陽極新結構（Spli