新型高速SOI-LIGBT的研究

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作为电力电子技术的核心,功率半导体器件在电能的控制、变换和调节中有着至关重要的作用。横向绝缘栅双极型晶体管(Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor,LIGBT)作为一类重要的功率器件,具有输入阻抗大、导通电压小、电流密度大、驱动电路简单等优点。与此同时,在LIGBT发射极一侧引入载流子储存层(Carrier-Stored Layer,CSL),能阻挡漂移区流入发射极的空穴载流子,进一步增强电导调制效应,并优化导通压降(on-state voltage,Von)和关断损耗(turn-off loss,Eoff)之间的折衷关系。然而,CSL的掺杂浓度(NCS)不能过高,否则会导致P-base/CSL结提前击穿。另一方面,RC-LIGBT(Reverse-Conducting LIGBT)将续流二极管集成在器件内部,使得器件具有反向导电能力,但传统RC-LIGBT在正向导通时将会出现电压折回现象。针对上述问题,作者在陈星弼教授、孔谋夫副教授和易波老师的指导下,开展一系列的研究工作,主要包括:1.提出了一种具有串联二极管钳位P-shield的新型薄层CSL-SOI-LIGBT器件。本文结构中的P-shield和CSL的电位被串联二极管结构钳位在较低值。一方面,使得反向偏压主要被P-shield/N-drift结承受而不是传统结构的P-base/CSL结,所以该结构的NCS可以提高数个数量级而不影响击穿电压(Breakdown Voltage,BV)。另一方面,沟道n-MOS较低的漏源电压使得器件具有更低的饱和电流密度,提高了短路安全工作区。通过仿真验证,本文提出的结构的饱和电流密度比传统结构下降了53.3%以上;在Von约为1.37 V时,Eoff比传统LIGBT-A和LIGBT-B分别下降了28.8%和21%。2.在前文的基础上,进一步研究了具有自偏置pMOS和P-shield区的TLIGBT(Trench LIGBT)。该结构工作原理与前文结构类似,自偏置pMOS在发射极和P-shield之间提供电流流通路径,并钳位P-shield和CSL的电位。与串联二极管相比,自偏置pMOS可以通过调整其体区的掺杂浓度改变器件的电学性能。仿真结果表明,在Von约为1.35 V时,本文结构的Eoff比传统TLIGBT-A和TLIGBT-B分别下降了41.9%和25.4%,饱和电流密度下降44%以上。因此,短路维持时间(short-circuit withstand time,tsc)也提高超过164%。3.提出了一种具有内嵌P型肖特基二极管(p-type Schottky Barrier Diode,p-SBD)的RC-LIGBT。在反向状态时,p-SBD和体区PiN二极管通过浮空电极串联在一起并提供电流流通路径;在正向导通时p-SBD被反向偏置,N-buffer和P+-collector不会被短接导通,进而消除电压折回现象。与此同时,当温度升高时或者肖特基势垒较低时(也就是金属功函数较大),p-SBD的漏电流将急剧增加,也就说,p-SBD相当于开启导通并将N-buffer和P+-collector短接。p-SBD的短接作用促使器件空穴注入效率减小,使得本文结构具有更优的正偏安全工作区和短路安全工作区。与具有不同LB(P+-collector和N+-collector之间的距离)的SSA-RC-LIGBT(Separated Shorted Anode RC-LIGBT)相比,反向恢复电荷在LB为34?m和64?m时分别下降了43.9%和63.2%,同时在Von为2.6 V时,Eoff分别下降68.2%和87.1%。
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