基于SOI的高压低损耗横向IGBT的分析与设计

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功率半导体器件承担着能量控制与功率转换的功能,在电力电子系统中具有至关重要的作用。高压横向MOS型功率器件因具有易于集成和控制等优点,广泛应用于高压功率集成电路(HVIC)。绝缘体上硅横向绝缘栅双极晶体管(SOI-LIGBT)因其电导调制效应带来的导通损耗低等优点,成为了业界研究的热点。然而,传统的高压SOI-LIGBT结构仍存在导通压降和开关损耗不够优化等问题,难以满足HVIC发展的需求。本文针对传统SOI-LIGBT结构存在的问题,开展了两类新型高压SOI-LIGBT结构的研究。本文的主要研究内容如下:1、提出一类具有分裂栅的二维沟槽型高压SOI-LIGBT新结构,包括具有浮空P区的分裂栅结构(TSG-LIGBT)和集成p-MOS的分裂栅结构(PTSG-LIGBT)。TSG-LIGBT结构通过设置具有分裂栅的沟槽结构,既获得了额外的空穴势垒,又减小了密勒电容(CGC),改善了导通压降(VCEON)与关断损耗(EOFF)的折中特性。TSG-LIGBT结构中还设置有浮空P区,以提高器件耐压。仿真结果表明在电流密度(JC)为100A/cm2时,TSG-LIGBT结构的VCEON比传统结构降低了19%;在集电极电压(VCE)为20V时,新结构的CGC比传统结构下降了56.6%;在VCEON=2.09V时,新结构的EOFF比传统结构降低了59%。除此之外,仿真结果还表明,降低P型基区长度(Lb)和提高CS层掺杂浓度(NCS)都可以改善TSG-LIGBT结构的VCEON与EOFF的折中特性。PTSG-LIGBT结构是在TSG-LIGBT结构的基础上,集成了p-MOSFET结构而得到。所以PTSG-LIGBT结构能够在实现低功耗的同时,通过p-MOSFET结构的钳位作用,进一步获得比传统结构更低的饱和电流,从而改善短路安全工作区。仿真结果表明在VCEON=2.14V时,新结构的EOFF比传统结构降低了38%;在VCE=15V时,新结构的饱和电流比传统结构降低了31%;在PC=3×1018cm-3且VCE=300V时,新结构的短路承受时间比传统结构提高了5μs。2、提出一类具有分裂栅的三维沟槽型高压SOI-LIGBT新结构(3d-TSGLIGBT)。3d-TSGLIGBT结构通过将TSG-LIGBT结构中的沟槽结构和浮空P区转移到垂直于纸面的第三维方向上,既实现了低VCEON,又减小了CGC,并且获得了比传统结构更为优化的VCEON与EOFF的折中特性。仿真结果表明在JC=100A/cm2时,新结构的VCEON相比于传统结构降低了25%;在VCE=20V时,新结构的CGC相较于传统结构下降了31%;在VCEON=2.1V时,新结构的EOFF相对于传统结构降低了66%。
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