具有电场加强单元的高速IGBT结构的研究

摘要

功率半导体器件由于其优越的电能转化能力，被广泛运用于各个领域。IGBT是功率半导体器件第三次技术革命的代表性产品，同时具有MOSFET输入阻抗高、驱动简单与BJT的电流能力强、导通压降低的优点。作为一种双载流子导电的器件，IGBT在导通期间，漂移区内同时具有较高的电子浓度与空穴浓度，使得器件具有很好的电流能力，同时，由于漂移区内的电导调制效应，IGBT器件也具有较低的导通压降。但是，关断时漂移区内过剩载流子移除较慢，使IGBT器件产生了拖尾电流现象，拖慢了器件的关断速度，限制了IGBT的应用范围。 为了抑制IGBT器件的拖尾电流现象，提高器件的开关速度，本文在了解IGBT的工作原理及拖尾电流产生机理的基础上，提出了一种全新的具有电场加强单元的高速IGBT结构，并将此结构分别应用到横向IGBT与纵向IGBT器件中。本文所提出的新结构，在传统IGBT结构的基础上引入了一个电场加强单元，该电场加强单元在器件关断时会产生一个由集电极区指向漂移区的电场，促进空穴注入漂移区内，与漂移区内的过剩电子复合，加快漂移区内过剩载流子的移除，提高器件的关断速度。同时，在导通时，该电场也存在，可以提高器件的导通电流密度，降低导通压降。电场加强单元内引入的PN结与高K介质的使用在器件处于关断状态时能够有效的平衡漂移区内的电场，提高器件的击穿电压。 为了验证本文所提出新结构对器件性能的提升，本文使用Medici仿真软件对新结构与传统IGBT结构的开关性能、导通性能以及耐压性能进行了仿真。根据仿真结果，与传统IGBT结构相比，本文所提出的高速IGBT结构能有效提高器件的开关速度，基本消除IGBT器件的拖尾电流现象；导通电流密度相比于传统IGBT器件最多有一个数量级的提升；击穿电压相比于传统IGBT器件也有一定的提升。 本文还使用Tsuprem4仿真软件对具有电场加强单元的横向IGBT结构进行了工艺仿真，并将工艺仿真结果导入Medici中重新对相关性能进行仿真。仿真结果显示，工艺仿真得到的结果基本符合器件设计预期，器件的开关特性、导通特性以及耐压特性均与直接使用Medici仿真的结果相符。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 功率半导体器件的发展

1.2 IGBT的发展历史与高速IGBT的研究现状

1.2.1 IGBT的发展历史

1.2.2 高速IGBT的研究现状

1.3本文主要工作及章节安排

第二章 IGBT基本原理

2.1 IGBT基本结构以及工作原理

2.2 IGBT的导通特性

2.3 IGBT的阻断特性

2.4 IGBT的开关特性

2.5 本章小结

第三章 具有电场加强单元的IGBT结构的电学特性

3.1 具有电场加强单元横向IGBT的结构及工作原理

3.1.1 器件基本结构

3.1.2 FE-LIGBT工作原理

3.2 FE-LIGBT的开关特性

3.3 FE-LIGBT的导通特性

3.4 FE-LIGBT的阻断特性

3.5 具有电场加强单元的纵向IGBT的结构及工作原理

3.5.1 器件基本结构

3.5.2 FE-VIGBT工作原理

3.6 FE-VIGBT的开关特性

3.7 FE-VIGBT的导通特性

3.8 FE-VIGBT的阻断特性

3.9 本章小结

第四章 具有电场加强单元的横向IGBT结构的工艺仿真

4.1 FE-LIGBT工艺流程

4.2 Tsuprem4与Medici联合仿真

4.2.1 开关特性

4.2.2 导通特性

4.2.3 耐压特性

4.3 版图设计

4.4 本章小结

第五章 总 结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果