高压碳化硅IGBT器件的电学特性

借助计算机辅助设计技术(TCAD)仿真并结合基础物理建模,对SiC n和p沟道IGBT器件的电学特性进行比较研究。研究表明,在小电流密度下,n-IGBT电导调制效应较强,并具有较低的通态压降。而在较大的正向偏置电压下,p-IGBT背部的n^(+)注入层的正向载流子注入增强,从而使得p-IGBT导通电流较大。相比较npn晶体管而言,由于n-IGBT内部pnp晶体管的电流增益较低,关断过程中载流子的抽取电流较高,耗尽层扩展速度较快,使得其关断时间较短,因而n-IGBT在动态关断能耗和正向导通压降之间具有较好的折中关系。但n-IGBT关断过程中电压变化率(dv/dt)、电流变化率(di/dt)值较高,特别是发生电压穿通现象过后。因此,应对n-IGBT电磁干扰(EMI)抑制的器件设计技术加以重视。

新型无损IGBT短路耐性测试电路

为保护绝缘栅双极晶体管(IGBT)测试电路及芯片失效信息,提出了一种新型的无损IGBT短路安全工作区测试电路,可以在器件测试时根据测试电流、电压波形特征,自动识别IGBT是否发生失效。一旦被测器件在测试过程中发生失效,测试电路能够立即自动将电流旁路,保护芯片表面不受二次大电流破坏,进而保护芯片失效信息,为芯片的失效分析提供依据。根据设计搭建了测试保护电路,并进行实验比较。通过分析对比失效IGBT模块及芯片内部结构,发现该新型测试电路能在IGBT失效后,保护被测IGBT芯片不被进一步破坏,为失效分析提供充分依据。

高压IGBT宽安全工作区设计

基于现有工艺平台开发了一款具有宽安全工作区的高压IGBT芯片。该芯片元胞采用场截止结构、载流子增强技术结合背面激光退火工艺降低器件饱和电压,通过优化载流子存储层的掺杂分布,结合背面透明集电极的增益优化,降低器件雪崩风险,提高器件的安全工作区。经流片测试结果显示饱和电压2.6 V,芯片在125°C温度下可实现5倍以上额定电流安全关断,短路电流可在30μs内安全关断,具有宽安全工作区水平,实现饱和电压、关断损耗和安全工作区的折衷。

具有宽安全工作区的压接式IGBT芯片研制

针对柔性直流输电关键装备高压直流断路器的特殊需求,基于现有工艺平台开发了一款宽安全工作区的3 300V/50A压接式IGBT芯片。为降低2~4 ms过电流冲击过程中的芯片温升,纵向采用非穿通结构。同时,采用阶梯栅氧结构,引入第二雪崩区,降低动态闩锁发生的风险,提高器件的安全工作区。为适用于压接封装,开发了厚金属电极工艺,实现对压力的缓冲。将此结构流片验证,并进行模块级测试,芯片可在1 800V电压下达到6.5倍以上额定电流安全关断,短路电流可在20μs内安全关断,具有宽安全工作区水平。