SOI基高速橫向IGBT模型與新結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、橫向絕緣柵雙極晶體管(Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor: LIGBT)具有電壓控制、低導(dǎo)通電阻和高輸入阻抗等優(yōu)點(diǎn)，且兼具縱向分立器件所沒(méi)有的可集成性和與集成電路工藝兼容，是智能功率集成電路(Smart Power Integrated Circuit:SPIC)中典型的核心器件。近年來(lái)，隨著SOI(Silicon On Insulator)基SPIC的快速發(fā)展，其高速、高集成度、高穩(wěn)定性

2、、抗輻照和良好的隔離性等優(yōu)點(diǎn)，使得 SOI-LIGBT越來(lái)越受到推崇和關(guān)注。雖然基于電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的雙極載流子輸運(yùn)機(jī)制可使SOI-LIGBT具有低導(dǎo)通壓降和大電流處理能力，但由于器件關(guān)斷時(shí)漂移區(qū)中存儲(chǔ)的大量非平衡載流子，導(dǎo)致SOI-LIGBT器件有著較長(zhǎng)的關(guān)斷拖尾現(xiàn)象，增加了器件的開(kāi)關(guān)損耗，限制了SOI-LIGBT的開(kāi)關(guān)頻率和應(yīng)用范圍。橫向功率器件在耐壓和導(dǎo)通電阻之間的折衷關(guān)系進(jìn)一步限制了 SOI-LIGBT的發(fā)展。同時(shí)隨 SOI-LIG

3、BT應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，諸多新的應(yīng)用對(duì) SOI-LIGBT器件單元面積、工作效率以及可靠性等提出了更高的要求。因此針對(duì)SOI-LIGBT關(guān)斷速度慢，安全工作區(qū)窄，溫度特性差等問(wèn)題的研究意義重大。
　　本文以高速型SOI-LIGBT功率器件為主要研究對(duì)象，從高速型集電極短路結(jié)構(gòu)的snapback、高速型槽型結(jié)構(gòu)的耐壓和開(kāi)關(guān)特性等方面進(jìn)行研究，提出考慮內(nèi)建勢(shì)影響的snapback解析模型，分析了槽型功率器件的耐壓機(jī)理和槽型 LIGBT

4、的關(guān)斷過(guò)程，提出了兩種類(lèi)型的器件結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研制。另外針對(duì)直流和逆變應(yīng)用提出了具有隧道注入機(jī)制的逆導(dǎo)型SOI-LIGBT新結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了討論。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)概括為以下幾個(gè)方面：
　　1、提出集電極內(nèi)建勢(shì)調(diào)制snapback解析模型。該模型從集電極短路的pn結(jié)內(nèi)建勢(shì)出發(fā)，根據(jù)肖克萊方程，推導(dǎo)出消除snapback現(xiàn)象需要的電流密度下集電極區(qū)電阻產(chǎn)生的壓降，得出其最小電阻值。同時(shí)利用內(nèi)建勢(shì)調(diào)制構(gòu)造集電極短路通道，改善器件的導(dǎo)通

5、特性和關(guān)斷特性?；谠撃Ｐ吞岢鋈S橫向 IGBT和二維橫向IGBT的新結(jié)構(gòu)，均無(wú)snapback現(xiàn)象。從理論上分析了兩種新器件的工作機(jī)理、正向?qū)ê完P(guān)斷特性，并對(duì)其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。三維橫向 IGBT器件獲得了導(dǎo)通電流密度100 A/cm2下正向?qū)▔航禐?.12 V和400 ns的關(guān)斷速度，相對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)snapback現(xiàn)象的SA-LIGBT節(jié)省了30％的芯片面積，同時(shí)在在關(guān)斷速度上提升了61%。二維橫向 IGBT器件在提升器件

6、耐壓基礎(chǔ)上采用槽型集電極接觸結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減小了芯片面積，通過(guò)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)可以消除snapback現(xiàn)象，同時(shí)相對(duì)槽型LTIGBT在關(guān)斷速度上提升了70%。對(duì)三維集電極短路LIGBT器件(BIC-LIGBT)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在集電極位置采用半封閉的介質(zhì)隔離槽，測(cè)試得到的器件正向?qū)ㄌ匦灾袩o(wú) snapback現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了由 LDMOS向 LIGBT工作模式的平滑過(guò)渡。
　　2、提出兩種槽型器件新結(jié)構(gòu)。基于槽型器件二維泊松方程的耐壓數(shù)值解以

7、及SOI-LIGBT關(guān)斷過(guò)程的對(duì)比分析研究，在安全工作區(qū)、正向?qū)▔航狄约皽囟忍匦陨蠈?duì)深槽p條型LIGBT和雙柵槽型LTIGBT兩種新結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。
　?。?）深槽 p條型 LIGBT結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)最重要的特點(diǎn)是緊靠氧化介質(zhì)槽的位置插入一個(gè)條形p型層。條形p型層的引入可以進(jìn)一步提升耐壓9.4%。在正向安全工作區(qū)上，深槽 p條型 LIGBT結(jié)構(gòu)具有更大的邊界，相對(duì)于槽型 SOI-LIGBT結(jié)構(gòu)提升了50%以上的SOA面積。同時(shí)在正向

8、導(dǎo)通壓降為1V時(shí)，該結(jié)構(gòu)的關(guān)斷損耗相對(duì)于槽型 SOI-LIGBT結(jié)構(gòu)和常規(guī) SOI-LIGBT分別提高了28.5%和81.2%。
　　（2）雙柵槽型 LTIGBT新結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在槽型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上引入了雙柵結(jié)構(gòu)，第二個(gè)柵在氧化介質(zhì)槽中。該結(jié)構(gòu)不僅能夠降低器件的比導(dǎo)通電阻，還能改進(jìn)器件工作時(shí)的溫度特性。結(jié)果顯示，在器件元胞尺寸為10.5?m，正向電流密度為700 A/cm2時(shí)，器件的比導(dǎo)通電阻為187 m??mm2，擊穿電壓為250 V

9、。其正向?qū)▔航迪鄬?duì)于槽型LTIGBT和常規(guī)LTIGBT分別降低了18%和30.3%。
　　3、提出一種具有隧道注入機(jī)制的逆導(dǎo)型 LIGBT新結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)利用隧穿結(jié)的反向特性使 LIGBT具備逆導(dǎo)特性。反向?qū)ㄖ型ㄟ^(guò)隧穿結(jié)的帶間隧穿機(jī)制向漂移區(qū)注入載流子，實(shí)現(xiàn)反向?qū)üδ?。在仿真分析中，我們采用精確的非局域帶間隧穿模型，該模型能夠解決任意勢(shì)壘形狀下的隧穿，同時(shí)考慮雜質(zhì)散射、表面缺陷以及非均勻電場(chǎng)的影響。結(jié)果表明，在反向電流密度為1