新型载流子积累的逆导型横向绝缘栅双极晶体管

通过引入n^(+)阳极在体内集成续流二极管的逆导型横向绝缘栅双极晶体管(reverse-conducting lateral insulated gate bipolar transistor,RC-LIGBT)可以实现反向导通,并且优化器件的关断特性,是功率集成电路中一个有竞争力的器件.本文提出了一种新型载流子积累的RC-LIGBT,它具有电子控制栅(electron-controlled gate,EG)和分离短路阳极(separated short-anode,SSA),可以同时实现较低的导通压降和关断损耗.在正向导通状态,漂移区上方的EG结构可以在漂移区的表面积累一个高密度的电子层,从而大大地降低器件的导通压降.同时,SSA结构的使用还极大优化了器件的关断损耗.另外,低掺杂p型漂移区与SSA结构配合,可以简单地实现反向导通并且消除回吸电压.仿真结果表明,所提出的器件具有优秀的导通压降与关断损耗之间的折衷关系,其导通压降为1.16 V,比SSA LIGBT低55%,其关断损耗为0.099 mJ/cm^(2),比SSA LIGBT和常规LIGBT分别低38.5%和94.7%.

一种电场调制载流子存储槽栅双极型晶体管

提出了一种性能优良的电场调制载流子存储槽栅双极型晶体管(CSTBT)。结合电场调制原理,在器件的载流子存储(CS)层引入P掺杂条,改善器件栅极下方氧化硅拐角处的电场分布,防止器件提前发生雪崩击穿,提高了器件的击穿电压。器件处于关断状态时,内部大量的空穴载流子通过CS层中未完全耗尽的P掺杂条到达发射极,抑制了CS层阻挡空穴的作用,有效提高了器件的关断速度。与传统CSTBT器件相比,改进器件的击穿电压值提高了379V,关断时间缩短了19.1%,器件性能大幅提高。

1700 V精细沟槽栅IGBT器件设计

为了改善绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件关断损耗和导通压降之间的折中关系,同时降低器件制造成本,基于1 700 V电压平台设计了一种采用精细沟槽栅结构的IGBT。采用TCAD软件进行仿真,研究衬底电阻率、衬底厚度、沟槽栅深度、沟槽栅宽度、载流子存储层注入剂量、沟槽栅元胞结构等因素对精细沟槽栅IGBT器件性能参数的影响,确定了最优工艺参数,并对1 700 V精细沟槽栅IGBT芯片进行流片和封装。测试结果显示,相比普通沟槽栅IGBT模块,1 700 V精细沟槽栅IGBT模块在芯片面积减小34.2%的情况下,关断损耗降低了8.6%,导通压降仅升高5.5%,器件性价比得到了优化。

一种沟槽-场限环复合终端结构的设计

为了改善硅功率器件击穿电压性能以及改善IGBT电流的流动方向,提出了一种沟槽-场限环复合终端结构。分别在主结处引入浮空多晶硅沟槽,在场限环的左侧引入带介质的沟槽,沟槽右侧与场限环左侧横向扩展界面刚好交接。结果表明,这一结构改善了IGBT主结电流丝分布,将一部分电流路径改为纵向流动,改变了碰撞电离路径,在提高主结电势的同时也提高器件终端结构的可靠性;带介质槽的场限环结构进一步缩短了终端长度,其横纵耗尽比为3.79,较传统设计的场限环结构横纵耗尽比减少了1.48%,硅片利用率提高,进而减小芯片面积,节约制造成本。此方法在场限环终端设计中非常有效。

沟槽栅场终止型IGBT瞬态数学模型

沟槽栅场终止型代表了绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的最新结构。由于沟槽栅结构与平面栅结构在基区载流子输运、栅极结电容计算等方面存在较大的不同,沿用平面栅结构的建模方法不可避免会存在较大的偏差。基于对沟槽栅场终止型IGBT结构特点及模型坐标系的分析,考虑载流子二维效应将基区分成PNP和PIN两部分,根据PIN部分的沟槽栅能否被PNP部分的耗尽层覆盖分析了栅极结电容计算方法,提出一种沟槽栅场终止型IGBT瞬态数学模型,并进行仿真与实验验证。

500V沟槽阳极LIGBT的设计与优化

介绍一种双外延绝缘体上硅(silicon on insulator,SOI)结构的沟槽阳极横向绝缘栅双极型晶体管(trenchanode lateral insulated-gate bipolar transistor,TA-LIGBT).沟槽阳极结构使电流在N型薄外延区几乎均匀分布,并减小了元胞面积;双外延结构使漂移区耗尽层展宽,实现了薄外延层上高耐压低导通压降器件的设计.通过器件建模与仿真得到最佳TA-LIGBT的结构参数和模拟特性曲线,所设计器件击穿电压大于500 V,栅源电压Vgs=10 V时导通压降为0.2 V,特征导通电阻为123.6 mΩ.cm2.

1200V沟槽栅/平面栅场截止型IGBT短路耐量特性研究

研究了沟槽栅与平面栅结构1 200V/20A场截止(Field-stop)型(绝缘栅双极型晶体管)(IGBT)的短路耐量特性,从测试电路参数与器件本身的结构与工艺两方面对具有沟槽栅及平面栅结构的场截止型IGBT进行了探究,其中热耗散为引起击穿的主要原因。实际制作了沟槽栅-场截止型IGBT,采用优化的正面沟槽结构结合背面场截止薄片工艺,选择了合适的集电极-发射极间的饱和电流保证器件具有较低的导通压降的同时减少了焦耳热的产生,提升了芯片自身的抗短路能力(tsc>12μs),有利于沟槽栅IGBT应用的可靠性。

3300 V沟槽栅IGBT的衬底材料的优化设计

使用TCAD仿真软件对3 300 V沟槽栅IGBT的静态特性进行了仿真设计。重点研究了衬底材料参数、沟槽结构对器件击穿电压、电场峰值等参数的影响。仿真结果表明,随衬底电阻率增加,击穿电压增加,饱和电压和拐角位置电场峰值无明显变化;随衬底厚度增加,击穿电压增加,饱和电压增加,拐角位置电场峰值降低;随沟槽宽度增加,饱和电压降低,击穿电压和拐角位置电场峰值无明显变化;随沟槽深度增加,饱和电压降低,击穿电压无明显变化,拐角位置电场峰值增加;随沟槽拐角位置半径增加,击穿电压和饱和电压无明显变化,但拐角位置电场峰值减小。选择合适的衬底材料对仿真结果进行实验验证,实验结果与仿真结果相符,制备的IGBT芯片击穿电压为4 128 V,饱和电压约为2.18 V。

1200V和1700V新型IGBT模块沟槽及电场截止型IGBT低注入续流二极管

介绍了最近开发的1200V和1700VIGBT模块的特性。该模块由沟槽栅极和电场截止结构的新型IGBT器件组装而成。由于采用了先进的封装技术,这种新型IGBT模块导致了更高的功率集成。进而,总功率损耗比常规IGBT模块的约减少了25%。

沟槽栅IGBT结构参数设计与动、静态性能优化（英文）

近年来,随着沟槽栅软穿通技术的发展,IGBT的性能不断提升。沟槽栅IGBT的动、静态性能与栅结构、载流子存储层、软穿通缓冲层等密切相关。在实际应用中,需根据不同的应用需求如低导通压降、低关断损耗或宽安全工作区性能等,对IGBT的综合性能进行优化设计。本文研究了沟槽栅IGBT的结构设计参数对器件性能的影响,并在此基础上探索了基于低电感应用条件的电动汽车IGBT的参数设计。

基于增强型沟槽栅技术的高性能3300V IGBT

采用沟槽栅结构、软穿通(SPT)技术和载流子存储层技术研制出一款增强型沟槽栅型(TMOS+)3 300 V IGBT芯片,其具有更低通态压降、更高功率密度和更优的关断安全工作区性能。高温(Tj=150℃)工况下,芯片的通态压降比相同电压等级增强型平面栅型(DMOS+)IGBT的约低25%,并能安全关断11倍额定电流;同等外形尺寸条件下,TMOS+型IGBT模块的电流等级(1 800 A)比DMOS+型的提升了20%,可满足更高功率容量的应用需求。

IGBT载流子增强技术发展概述

发射极载流子增强技术作为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件所特有的技术手段,是进一步改善IGBT导通饱和压降和关断损耗折中性能的关键所在。在经历了20多年的发展之后,发射极载流子浓度增强的技术无论从结构和性能上都得到了巨大的提升。概述了IGBT载流子增强技术的发展过程,针对IGBT中的载流子分布,分析了载流子增强技术的物理机制,介绍了传统载流子增强技术所采用的器件结构及实现方法,包括注入增强型绝缘栅双极型晶体管(IEGT),载流子存储层结构的沟槽型双极型晶体管(CSTBT),高导电率IGBT(Hi GT),平面增强结构IGBT,以及最近几年较新型的介质阻挡层IGBT,局部窄台面IGBT,p型埋层CSTBT等。着重讨论了每种器件的结构特点以及性能上的改善。载流子增强技术将是新一代IGBT器件设计的一个主要技术手段。

600V高性能新型槽栅内透明IGBT的仿真

载流子存储层(CSL)可以改善IGBT导通态载流子分布,降低通态电压,但影响器件阻断能力。为了平衡载流子存储层对器件阻断能力的影响,在器件n-漂移区中CSL层处近哑元胞侧设计了p型埋层(p BL),利用电荷平衡的理念改善电场分布,并借助ISE-TACD仿真工具,依托内透明集电极(ITC)技术,研究了600 V槽栅CSL-p BL-ITC-IGBT电特性。为了保证器件承受住不小于10μs的短路时间,设置了哑元胞。在此基础上,仿真分析了CSL和p BL的尺寸及掺杂浓度、哑元胞尺寸等对器件特性的影响,并与普通的槽栅ITC-IGBT、点注入局部窄台面(PNM)ITC-IGBT的主要技术指标进行对比,给出CSL和p BL的尺寸及掺杂浓度的最佳范围。结果表明,合理的参数设计可使CSL-p BL-ITC-IGBT具有更优的技术折中曲线。

功率LIGBT热载流子退化机理及环境温度影响

研究了横向绝缘栅双极型晶体管(LIGBT)的热载流子退化机理及环境温度对其热载流子退化的影响.结果表明,器件的主导退化机制是鸟嘴处大量界面态的产生,从而导致饱和区阳极电流Iasat和线性区阳极电流Ialin存在较大的退化的主要原因,同时,由于Ialin的分布比Iasat的分布更靠近器件表面,故Ialin的退化比Iasat的退化更严重;而器件沟道区的碰撞电离和热载流子损伤很小,使得阈值电压Vth在应力前后没有明显的退化.在此基础上,进一步研究了环境温度对LIGBT器件的热载流子退化的影响.结果表明,LIGBT呈现正温度系数,且高温下LIGBT的阈值电压会降低,使得相同应力下其电流增大,导致器件碰撞电离的增大,增强了器件的热载流子损伤.

逆导型沟槽FS IGBT的设计与实现

逆导型沟槽场终止绝缘栅双极型晶体管(RC Trench FS IGBT)是一种新型的功率半导体器件,具有成本低、体积小、可靠性高等优点。设计并实现了一款1 200 V逆导型沟槽FS IGBT。重点研究了逆导型绝缘栅门极晶体管(RC IGBT)特有的回扫现象,以及如何从结构设计上消除回扫现象,其次,对RC IGBT在不同的载流子寿命下,进行了开关特性、反向恢复特性的仿真。研究结果发现随着载流子寿命的降低,其开关时间、反向恢复特性都有一定程度的改善。依据器件的最优化设计进行了流片。测试结果验证了不同设计对电流回扫现象的影响,以及不同少子寿命下导通特性和反向恢复特性的变化规律,器件的性能得到优化。

SOI NLIGBT热载流子效应研究

SOI NLIGBT中热载流子效应分别通过直流电压的应力测试、TCAD仿真和电荷泵测试三种方法进行了研究。其中,不同直流电压应力条件下测得的衬底电流Isub和导通电阻Ron用来评估因热载流子效应引起的器件退化程度。为了进行理论分析,对器件内部的电场强度和碰撞离化率也进行了仿真。测试得到的电荷泵电流直接验证了器件表面的损伤程度。最后讨论了SOI LIGBT在不同栅压条件下的退化机制。

大功率IGBT器件内部载流子控制方法综述

绝缘栅双极晶体管(IGBT)的内部载流子控制方法对器件的导通状态电压降、关断损耗、SOA、热可靠性和瞬态稳定性等器件性能至关重要。已经报道的许多载流子控制方法都侧重于发射极(或阴极)、集电极(或阳极)和漂移区的设计。重点介绍了当前和未来几代IGBT的载流子控制方法。回顾发射极、集电极和漂移区的设计如何影响正向压降和关断能量损耗之间的权衡。最后,总结展望未来大功率IGBT器件内部载流子控制方法的发展趋势。

一种快速准确的大功率IGBT建模方法

高压大功率绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的准确建模对IGBT应用中的损耗计算、机理分析、骚扰特性预测有重要意义。基区载流子分布计算是IGBT建模的核心内容,对于计及不同注入条件下大功率IGBT载流子分布计算,现有模型存在计算量大或精度低等缺点。文中首先研究大功率IGBT工作过程中基区载流子的分布特性,然后,以准静态和非准静态条件下基区载流子分布的差异性为突破口提出一种快速、准确、适用于大功率IGBT的建模方法。依据器件内基区耗尽层的边界是处于栅极区域附近还是越过栅极区域,该方法将IGBT工作状态分为两部分,并分别基于准静态假设和非准静态假设对两部分建模。由此可在不失精度的情况下避免载流子二维分布计算,有效地减小在计及不同注入条件下的计算量。最后,通过与现有方法和试验对比,验证所提方法在精度和计算速度方面的优势。

不断发展中的IGBT技术概述

概述了自IGBT发明以来其主要结构和相应性能的改进,包括芯片集电结附近(下层)结构的改进(透明集电区),耐压层附近(中层)结构的改进(NPT,FS/SPT等)和近表层(上层)结构的改进(沟槽栅结构,注入增强结构等),以及由它们组合成的NPT-IGBT,Trench IGBT,Trenchstop-IGBT,SPT,SPT+,IEGT,HiGT,CSTBT等。