低功耗无回跳逆导型IGBT的结构设计和特性研究

摘要

随着薄片工艺等制造技术的发展，在场阻止型的绝缘栅双极型晶体管（Field-Stop Insulated Gate Bipolar Transistor，FS-IGBT）的背面进行光刻和离子注入并形成N+短路区（N+-short）已成为一种可能，由此上世纪90年代提出的阳极短路型IGBT重新焕发生机。阳极短路型IGBT又被称为逆导型IGBT（Reverse-Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor，RC-IGBT）。但是目前的R C-IGBT产品只适用于软开关领域（Soft Switching Condition），这是由于它们在逆向导通过程中反向恢复损耗过大以及电流分布不均匀，进而造成器件局部过热和可靠性较低。
　　本文针对目前RC-IGBT存在的问题，利用Sentaurus TCAD仿真软件分析了影响RC-IGBT的正向导通、反向导通、关断、反向恢复和阻断等特性的因素。首先探究了RC-IGBT背面结构的尺寸对正向导通和反向导通特性的影响。随后针对常规RC-IGBT在硬开关领域（Hard Switching Condition）所遇到的问题，提出了具有低反向恢复损耗的RC-IGBT元胞结构。最后对于常规RC-IGBT在正向导通中容易出现的回跳（Snapback）现象，给出了一种新型的短路区结构。
　　仿真结果表明，本文所提出的低功耗型的RC-IGBT，相比于常规RC-IGBT，其反向恢复损耗能减少约一半，反向恢复时间可减少约三分之一，反向恢复峰值电流减少约四分之一。此外，本文提出了一种沟槽隔离型的短路区结构，采用此结构后，元胞宽度可降为常规R C-IGBT元胞宽度的1/20，同时又能确保导通中不出现回跳现象，进而在导通中拥有均匀的电流分布。
　　本文的研究对于解决目前RC-IGBT在商业化过程中所面临的问题，给出了一种可行的解决方案，具有一定的参考意义，也有助于RC-IGBT的早日国产化。

目录

声明

1绪论

1.1 IGBT的研究背景

1.2 国外研究进展

1.3 国内研究进展

1.4 本文的主要研究内容

2 常规RC-IGBT工作机理的仿真分析

2.1 RC-IGBT的元胞结构及其发展历程

2.2 常规RC-IGBT导通过程的回跳形成机理分析

2.3 TCAD仿真中的物理模型和参数介绍

2.4 常规RC-IGBT的静态特性

2.5 常规RC-IGBT的动态特性

2.6 本章小结

3 低反向恢复功耗型RC-IGBT的设计

3.1 LE-RC-IGBT的元胞结构

3.2 LE-RC-IGBT在IGBT工作模式下的特性

3.3 LE-RC-IGBT在FWD工作模式下的特性

3.4 本章小结

4 沟槽隔离型RC-IGBT的设计与优化

4.1 沟槽隔离型RC-IGBT的元胞结构

4.2 沟槽隔离型RC-IGBT的静态特性

4.3沟槽隔离型RC-IGBT的动态特性

4.4本章小结

5 结论

5.1 结论

5.2 后期工作展望

致谢

参考文献

附录