【摘要】：橫向絕緣柵雙極型晶體管(Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor,簡(jiǎn)稱(chēng)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(lái),絕緣體上硅(Silicon On Insulator,簡(jiǎn)稱(chēng)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(chē)電子、開(kāi)關(guān)電源等智能功率集成電路中。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)通時(shí)載流子分布與空穴阻擋勢(shì)壘關(guān)系的關(guān)鍵問(wèn)題,提出P型埋層LIGBT器件關(guān)斷模型和基于SOI材料的兩類(lèi)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)。本文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下:1.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;降低第一階段電壓的平均值A(chǔ)(I)V;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(guò)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。提出三種P型埋層類(lèi)SOI LIGBT器件新結(jié)構(gòu):(1)具有P型埋層的SOI LIGBT器件。該器件在常規(guī)結(jié)構(gòu)的漂移區(qū)內(nèi)引入P型埋層,使器件在關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)大電容效應(yīng),在低陽(yáng)極電壓下實(shí)現(xiàn)大量載流子的抽出,降低關(guān)斷損耗的三個(gè)途徑都在該器件得到充分體現(xiàn)。結(jié)合模型和仿真,深入研究該器件的關(guān)斷特性,分析關(guān)鍵參數(shù)如P型埋層的濃度NPB、長(zhǎng)度LPB、厚度TPB等對(duì)器件關(guān)斷損耗的影響。在導(dǎo)通壓降為1.2 V時(shí),該器件關(guān)斷損耗相比常規(guī)結(jié)構(gòu)可降低高達(dá)85%。(相關(guān)研究發(fā)表于IEEE Transactions on Electron Devices,2015,62(11):3774-3780)(2)雙柵P型埋層SOI LIGBT器件。該器件在具有P型埋層的SOI LIGBT器件基礎(chǔ)上加入一個(gè)槽柵形成雙柵結(jié)構(gòu),引入的槽柵起到電子增強(qiáng)注入的效果,進(jìn)一步降低器件關(guān)斷損耗。該器件關(guān)斷損耗比具有P型埋層的SOI LIGBT可再降低40%。(相關(guān)研究發(fā)表于IEEE ICSICT,2016)(3)具有U型超結(jié)的槽型漂移區(qū)SOI LIGBT器件。該器件在漂移區(qū)內(nèi)引入二氧化硅槽來(lái)承擔(dān)橫向耐壓,槽周?chē)籔型摻雜漂移區(qū)包圍,形成U型超結(jié)漂移區(qū)結(jié)構(gòu)。該器件保持了P型埋層類(lèi)LIGBT低關(guān)斷損耗的同時(shí),可有效屏蔽背柵電壓對(duì)耐壓的影響。本文分析了該器件開(kāi)關(guān)時(shí)載流子的運(yùn)動(dòng)模式,提出同向異位和反向異位運(yùn)動(dòng)模式概念。此外,研究了器件參數(shù)和背柵電壓對(duì)關(guān)斷和耐壓特性的影響。2.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(guò)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(wèn)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。(相關(guān)研究發(fā)表于Superlattices and Microstructures,2016,89:179-187和Chinese Physics B,2016,25(12):127304)3.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LIGBT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(kāi)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(kāi)關(guān)特性進(jìn)行了測(cè)試�；隗w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(lèi)LIGBT中存在的大電容效應(yīng)。具有部分超結(jié)的薄層SOI LIGBT在漂移區(qū)陰極端和陽(yáng)極端采用不同厚度的頂層硅,結(jié)合薄硅層境界擊穿電場(chǎng)高和超結(jié)導(dǎo)通電阻小的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)高耐壓和低導(dǎo)通電阻;研制的器件耐壓為825 V,比導(dǎo)通電阻相比全薄層SOI LIGBT降低60%。
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【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TN322.8

【參考文獻(xiàn)】

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1 陳星弼;;超結(jié)器件[J];電力電子技術(shù);2008年12期

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本文編號(hào)：2355382