高速LIGBT電勢控制理論與新結(jié)構(gòu).pdf

1、眾所周知，絕緣柵雙極性晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）具有驅(qū)動功耗低、導(dǎo)通能力強(qiáng)、熱穩(wěn)定性好、耐壓特性高和安全工作區(qū)大等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用于各種電力電子系統(tǒng)，是電導(dǎo)調(diào)制新型半導(dǎo)體功率器件的典型代表器件。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使IGBT具有較低導(dǎo)通壓降，但與依靠多數(shù)載流子輸運(yùn)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(guān)斷速度明顯減慢，限制了應(yīng)用頻率并增加了開關(guān)損耗，成為IGBT進(jìn)一步應(yīng)用的主要障礙。尋找提高IGBT關(guān)斷速度的新理論和新方法，改善“導(dǎo)通壓降-關(guān)斷時(shí)間”之間的約束關(guān)系成為迄今尚待更好解決的基本問題。
　　本文針對此約束關(guān)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(yùn)的單極導(dǎo)通模式向非平衡載流子輸運(yùn)的雙極導(dǎo)通模式轉(zhuǎn)變的電勢控制解析分析、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三者相結(jié)合的方法，對LIGBT新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)：電勢控制高速LIGBT器件和三維電勢控制高速LIGBT器件。
　　主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)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(diào)節(jié)導(dǎo)通態(tài)內(nèi)置逆向二極管結(jié)構(gòu)的電勢分布、構(gòu)造關(guān)斷態(tài)非平衡載流子的抽出通道，從而改善器件導(dǎo)通態(tài)和關(guān)斷態(tài)的電特征，實(shí)現(xiàn)器件的無振蕩開啟、大電流導(dǎo)通和高速關(guān)斷特性。高速LIGBT電勢控制技術(shù)及其指導(dǎo)設(shè)計(jì)的兩類新結(jié)構(gòu)都是通過增大導(dǎo)通態(tài)時(shí)內(nèi)置逆向二極管結(jié)構(gòu)在陽極區(qū)部分的電勢分布，達(dá)到降低由單極導(dǎo)通模式向雙極導(dǎo)通模式轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變點(diǎn)陽極電壓、消除Snapback現(xiàn)象、增大

5、導(dǎo)通電流，同時(shí)實(shí)現(xiàn)關(guān)斷態(tài)時(shí)非平衡載流子的抽出效應(yīng)、提高關(guān)斷速度，優(yōu)化了導(dǎo)通壓降和關(guān)斷時(shí)間之間的約束關(guān)系。表達(dá)式Vsb=（1+K·r）V0給出了轉(zhuǎn)變點(diǎn)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(guān)系，說明PA技術(shù)指導(dǎo)高速LIGBT器件設(shè)計(jì)的主要思路是減小電勢控制因子r或三維調(diào)節(jié)因子K。典型新結(jié)構(gòu)：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(dǎo)通電流能力的前提下

6、，轉(zhuǎn)變點(diǎn)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(guān)斷時(shí)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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)中所起到的顯著作用，但大導(dǎo)通能力特性有所犧牲，存在進(jìn)一步改善的潛力；（2）改進(jìn)型PA區(qū)陽極高速LIGBT器件，包括槽型工藝新結(jié)構(gòu)（TNCA-LIGBT）、埋層新結(jié)構(gòu)（BNCA-LIGBT）和分離陽極新結(jié)構(gòu)（SNCA-LIGBT）等三種器件，是對導(dǎo)通壓降增大的NCA-LIGBT器件的進(jìn)一步優(yōu)化；（3）增強(qiáng)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(zhì)層結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有陽極掩蔽層的注入增強(qiáng)效應(yīng)

8、和非平衡載流子的抽出效應(yīng)；（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(qiáng)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(jié)構(gòu)的三維設(shè)計(jì)同時(shí)減小電勢控制因子r和三維調(diào)節(jié)因子 K的取值，該類新結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的三維設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了低導(dǎo)通特性和高速關(guān)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(jié)構(gòu)的三維設(shè)計(jì)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了關(guān)斷態(tài)非平衡載流子的直接導(dǎo)通模式和NPN反向注入模式的雙通道抽出機(jī)制；（3）復(fù)合PA區(qū)陽極高速 LIGBT器件，包括常規(guī)型復(fù)合陽極新結(jié)構(gòu)（Split-NCA-LIGBT）和透明型復(fù)合陽極新結(jié)構(gòu)（Spli