高压低功耗IGBT器件新结构与机理研究

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被称为电力电子装置和系统之核的功率半导体器件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)具有高输入阻抗、低驱动功率、高击穿电压(BV)及低功率损耗等诸多优点。特别是LIGBT(Lateral IGBT)器件因便于集成,常在智能功率集成电路中使用。双极型器件LIGBT因电导调制效应而具有低的导通压降(Von),但同时也给器件的关断带来负担,造成电流拖尾时间较长,关断损耗(Eoff)较大,因此LIGBT器件的Eoff和Von两者之间存有矛盾关系。为了加快LIGBT的关断进而降低Eoff,引入了短路阳极结构,却又在正向导通的过程中带来新的问题——电压折回Snapback现象。为此,本文将提出两种新的LIGBT器件结构。1.提出一种阳极具有NPN结构的双槽LIGBT器件。其主要特征为:在阳极侧引入一个NPN(N+阳极\P-well\N-buffer)结构,阴极侧引入双槽和N型载流子存储层(N-CS)。首先,正向导通时,NPN结构的薄基区P-well作为电子的势垒,阻碍电子被N+阳极收集,增加了阳极端的分布电阻,使得器件采用较小的元胞尺寸就能够消除Snapback现象;关断过程中,较高的电压使P-well耗尽,电子可以很快扫过P-well区,从而使得Eoff大大降低。其次,阴极端的双槽和N-CS层在正向导通时阻止空穴被P+阴极快速抽取,电导调制效应增强,Von进一步减小,因此器件达到更好的Von和Eoff关系曲线;在正向阻断状态,阳极端的NPN结构可以释放电子泄漏电流,抑制了寄生PNP的空穴泄漏电流的产生,使器件可以达到较高的耐压级别,并且可以不受NA变化的影响;此外,阴极双槽还提供了空穴旁路,器件在大电流下的抗闩锁能力增强,拓宽了其安全工作区。仿真结果显示,在相等的Von下,新结构的Eoff相比Conv.LIGBT下降了55%;同具有相等Eoff的MSA LIGBT相比,该器件的Von下降了38.6%;新器件的耐压能力较Conv.LIGBT提高了7.3%。该器件阳极端的N-buffer区和阴极端的N-CS层可以同时制作,工艺简单成本较低。2.提出一种具有分段P型埋层的短路阳极LIGBT器件。该器件的特征是在阳极P+区和N+区下方引入分段的P型埋层。正向导通状态,阳极端分段的P型埋层延长了电子到达N+阳极区的路径,增加了阳极分布电阻,进而有效消除了Snapback现象;在关断过程中,阳极端分段P埋层之间的N型掺杂区域又给电子提供了一条额外的释放通路,最终有效地缓解了Eoff和Von之间存在的矛盾关系;在正向阻断状态,该结构展现的是一种类似于功率LDMOS器件的耐压机理,电子泄漏电流通过阳极端分段P埋层之间的N型区域流向N+阳极,其产生的压降不足以使P+\N-buffer结导通,抑制了阳极空穴的注入,器件最终实现较高的BV。同时又提出了一种改进型的器件,在阴极侧引入P型埋层,进一步提高了新器件的抗闩锁能力和抗短路能力。仿真数据表明,在Von相等时,新器件的Eoff较CON LIGBT下降了13.2%;在保持Eoff一定下,新器件的Von相比于SSA LIGBT减小了37%。
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