【摘要】：橫向絕緣柵雙極型晶體管(Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor,簡稱LIGBT)具有導通電壓低、輸入阻抗高、電流能力強、耐壓特性高、熱穩(wěn)定性好和可集成性等優(yōu)點,是功率半導體器件的典型代表。近年來,絕緣體上硅(Silicon On Insulator,簡稱SOI)技術發(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廣泛應用于汽車電子、開關電源等智能功率集成電路中。雖然漂移區(qū)內(nèi)的電導調(diào)制效應使LIGBT具有較低的導通壓降,但在關斷時存儲于漂移區(qū)內(nèi)的大量非平衡載流子需要抽出或者復合,導致LIGBT具有較高的關斷損耗,限制了其應用。因此,探究LIGBT關斷內(nèi)部機理、研究高性能LIGBT器件新結構以改善導通壓降與關斷損耗之間的矛盾關系,一直為學術和工程界研究的重要課題。本文針對導通壓降與關斷損耗的折衷關系,探究降低LIGBT關斷損耗的途徑,研究關斷時非平衡載流子抽出與耗盡層結電容關系、導通時載流子分布與空穴阻擋勢壘關系的關鍵問題,提出P型埋層LIGBT器件關斷模型和基于SOI材料的兩類LIGBT器件新結構,實現(xiàn)器件關斷損耗的大幅降低。此外,將超結引入LIGBT中,提出并研制超結LIGBT器件新結構。本文主要創(chuàng)新點如下:1.提出P型埋層LIGBT器件關斷模型及新結構。關斷模型包括關斷損耗模型和dV/dt模型。關斷損耗模型具有普適性,揭示降低LIGBT關斷損耗的三種途徑:降低電流積分總電荷Qoff;降低第一階段電壓的平均值A(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器件關斷時耗盡層擴展的方式,建立dV/dt模型,揭示關斷時電壓上升過程中的大電容效應。本文提出的LIGBT關斷模型亦可推廣到超結IGBT器件中。提出三種P型埋層類SOI LIGBT器件新結構:(1)具有P型埋層的SOI LIGBT器件。該器件在常規(guī)結構的漂移區(qū)內(nèi)引入P型埋層,使器件在關斷時出現(xiàn)大電容效應,在低陽極電壓下實現(xiàn)大量載流子的抽出,降低關斷損耗的三個途徑都在該器件得到充分體現(xiàn)。結合模型和仿真,深入研究該器件的關斷特性,分析關鍵參數(shù)如P型埋層的濃度NPB、長度LPB、厚度TPB等對器件關斷損耗的影響。在導通壓降為1.2 V時,該器件關斷損耗相比常規(guī)結構可降低高達85%。(相關研究發(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器件基礎上加入一個槽柵形成雙柵結構,引入的槽柵起到電子增強注入的效果,進一步降低器件關斷損耗。該器件關斷損耗比具有P型埋層的SOI LIGBT可再降低40%。(相關研究發(fā)表于IEEE ICSICT,2016)(3)具有U型超結的槽型漂移區(qū)SOI LIGBT器件。該器件在漂移區(qū)內(nèi)引入二氧化硅槽來承擔橫向耐壓,槽周圍被P型摻雜漂移區(qū)包圍,形成U型超結漂移區(qū)結構。該器件保持了P型埋層類LIGBT低關斷損耗的同時,可有效屏蔽背柵電壓對耐壓的影響。本文分析了該器件開關時載流子的運動模式,提出同向異位和反向異位運動模式概念。此外,研究了器件參數(shù)和背柵電壓對關斷和耐壓特性的影響。2.提出基于增強型槽柵概念的LIGBT器件新結構。新結構包括具有增強型槽柵的SOI LIGBT和雙槽柵載流子存儲SOI LIGBT。具有增強型槽柵的SOI LIGBT將常規(guī)槽柵結構的槽柵位置改變,置于P型阱區(qū)與N型漂移區(qū)之間。槽柵在器件導通時對載流子起到阻擋作用,產(chǎn)生載流子存儲效應;在關斷時可輔助N型漂移區(qū)耗盡,加快載流子抽取。該器件相比常規(guī)槽柵結構,在導通壓降為1.1 V時,關斷損耗降低59%。提出的雙槽柵載流子存儲SOI LIGBT,通過引入雙槽柵結構和載流子存儲層,解決了具有增強型槽柵的SOI LIGBT中P型阱區(qū)下方載流子濃度低的問題,進一步改善了器件導通壓降與關斷損耗的折衷關系。(相關研究發(fā)表于Superlattices and Microstructures,2016,89:179-187和Chinese Physics B,2016,25(12):127304)3.設計和研制超結LIGBT器件新結構。將超結結構引入LIGBT中,提出基于體硅的表面超結LIGBT和具有部分超結的薄層SOI LIGBT。本文對這兩種器件進行優(yōu)化設計、開發(fā)相應的集成工藝、設計版圖、實驗流片,并對其靜態(tài)和開關特性進行了測試。基于體硅的表面超結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),形成縱向疊層超結結構;研制的器件耐壓為693 V、比導通電阻為6.45?·mm2,關斷曲線驗證了P型埋層類LIGBT中存在的大電容效應。具有部分超結的薄層SOI LIGBT在漂移區(qū)陰極端和陽極端采用不同厚度的頂層硅,結合薄硅層境界擊穿電場高和超結導通電阻小的特點,實現(xiàn)高耐壓和低導通電阻;研制的器件耐壓為825 V,比導通電阻相比全薄層SOI LIGBT降低60%。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN322.8

【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 陳星弼;;超結器件[J];電力電子技術;2008年12期

，

本文編號：2355381