【摘 要】
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功率半导体器件作为提升电能利用效率的关键之所在,将为我国经济插上绿色环保、高效智能的翅膀飞向世界之巅。SOI LIGBT凭借更强的负载能力以及易于集成的有利条件,将为大功率集成电路提供一种极具潜力的设计方案。但是目前由于器件在关断过程中需要抽取大量非平衡载流子,降低了其关断速度,限制了其在高频电路中应用前景。引入短路阳极结构可以极大地改善器件的关断特性,但是会在正向导通时带来电压折回效应,影响器件
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功率半导体器件作为提升电能利用效率的关键之所在,将为我国经济插上绿色环保、高效智能的翅膀飞向世界之巅。SOI LIGBT凭借更强的负载能力以及易于集成的有利条件,将为大功率集成电路提供一种极具潜力的设计方案。但是目前由于器件在关断过程中需要抽取大量非平衡载流子,降低了其关断速度,限制了其在高频电路中应用前景。引入短路阳极结构可以极大地改善器件的关断特性,但是会在正向导通时带来电压折回效应,影响器件正常使用。为了解决上述问题,本文提出了两种新型SOI LIGBT器件结构,并在最后提出了具有可行性的工艺制造方案。1.提出一种具有可控阳极栅的SOI LIGBT。该结构主要特点为通过局部热氧化工艺在薄顶层硅中所引入阴极/阳极槽栅结构。一方面,在正向导通时,给阳极栅电极施加固定负压,使得在阳极槽栅侧壁形成空穴堆积层增强器件空穴发射效率,且阻断电子流通路径从而抑制Snapback效应,另一方面,阴极槽栅对注入的空穴具有阻挡作用,并且阴极槽栅侧壁所堆积的电子进一步增强了载流子存储效应,降低了器件的正向导通压降。在正向阻断时,给阳极栅电极施加固定正压,在阳极槽栅侧壁堆积的电子将降低阳极分布电阻,抑制寄生PNP三极管的开启,使器件具有类LDMOS击穿特性,提高器件耐压。在关断过程中,阳极栅电极将提前由固定负压转换为固定正压,消除阳极槽栅侧壁的空穴堆积层,提前停止阳极槽栅处的空穴注入,降低注入效率,并且形成电子堆积层,提供一条势垒更低的电子抽取路径,提高器件的关断速度。仿真结果表明,新结构与传统结构相比,相同导通压降下,关断损耗最高可降低64.1%,相同阳极注入剂量下,导通压降降低了25.8%。另外该结构可完全抑制Snapback效应,耐压提升了19.2%,并且耐压不受阳极剂量所影响,设计窗口更为灵活。2.提出一种具有集成MOS的SOI LIGBT。该结构的主要特征为阳极区的集成MOS管,集成MOS的源漏两端分别连接LIGBT的阳极N+和阳极P+。在正向导通时,集成MOS管处于栅源短接工作模式无法开启,因此电子无法通过阳极N+流向阳极,故器件成功抑制了Snapback效应。在反向导通时,集成MOS管处于栅漏短接工作模式,随着反向电压的逐渐增大,集成MOS管将开启,因此新结构也能实现反向导通功能。在关断过程中,集成MOS管处于栅源短接工作模式,但是集成MOS管P型沟道区掺杂浓度不高,随着阳极电压上升至总线电压,P型沟道将完全耗尽,因此集成MOS管将发生穿通,为电子提供一条抽取通道,降低了器件的关断损耗。另外器件还引入栅极场板、阳极场板与阴极场板使得漂移区电场分布更为均匀,提高耐压。仿真结果表明,新结构与传统结构相比,耐压提升了12.3%,成功抑制了Snapback效应并且具有反向导通能力。在工作电流为100A/cm~2相同导通压降下,关断损耗降低了53.4%,在工作电流为200A/cm~2时关断损耗降低了61.4%。另外在相同测试条件下,抗短路时间提升了50.4%。
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