电荷耦合内透明集电极IGBT设计与仿真北大核心CSCD

针对沟槽型绝缘栅双极型晶体管(IGBT)栅电容较大、开关速度较慢的问题,基于内透明集电极(ITC)技术,将电荷耦合(CC)的思想应用于槽栅IGBT中。采用仿真工具MEDICI对电荷耦合内透明集电极IGBT(CC-ITC-IGBT)的击穿特性、导通特性和开关特性等进行了仿真研究,重点研究了电荷耦合区掺杂浓度和局域载流子寿命控制区(LCLC)载流子寿命对器件性能的影响,并和普通的槽栅内透明集电极IGBT进行了对比。结果表明,在给定的参数范围内,新结构在快速关断区域折中特性曲线更好,在低导通压降区域,优势变得不太明显,因而电荷耦合内透明集电极IGBT更适合做快速关断型。     

1700 V精细沟槽栅IGBT器件设计

为了改善绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件关断损耗和导通压降之间的折中关系,同时降低器件制造成本,基于1 700 V电压平台设计了一种采用精细沟槽栅结构的IGBT。采用TCAD软件进行仿真,研究衬底电阻率、衬底厚度、沟槽栅深度、沟槽栅宽度、载流子存储层注入剂量、沟槽栅元胞结构等因素对精细沟槽栅IGBT器件性能参数的影响,确定了最优工艺参数,并对1 700 V精细沟槽栅IGBT芯片进行流片和封装。测试结果显示,相比普通沟槽栅IGBT模块,1 700 V精细沟槽栅IGBT模块在芯片面积减小34.2%的情况下,关断损耗降低了8.6%,导通压降仅升高5.5%,器件性价比得到了优化。     

3300V逆导型IGBT器件仿真

基于现有仿真平台,设计一款3 300V/50A逆导型绝缘栅双极晶体管器件(逆导型IGBT或RC-IGBT),元胞采用场截止型平面栅结构,元胞设计中采用载流子增强技术(EP),元胞注入采用自对准工艺,背面P型集电极采用透明集电极技术,降低IGBT工作模式下的饱和压降。采用二维数值仿真研究了器件结构及结构参数对器件性能的影响,通过结构参数拉偏,折衷优化IGBT与内集成二极管的性能参数,仿真得到的3 300V/50A逆导型IGBT器件饱和压降为3.4V,二极管导通压降为2.3V,阈值电压为5.6V,击穿电压为4 480V,与相同电压等级的分立IGBT器件和二极管性能相当。     

IGBT集电结局域寿命控制的比较与分析

新型的电场终止型绝缘栅双极晶体管(FS-IGBT)改善了传统穿通型(PT)IGBT性能上的不足,但对于1 200 V以下器件需要超薄片加工。为打破加工技术的限制,用简易的厚片工艺实现薄片性能,可以在集电结附近设置载流子局域寿命控制层(LCLC)来改善器件性能。目前有两种方案:将LCLC区置于集电区内形成内透明集电极IGBT(ITC-IGBT);或置于缓冲层内,形成缓冲层局域寿命控制IGBT。对这两种结构的600 V器件结合具体参数进行了仿真和比较。仿真结果表明,两种结构的器件可实现几近相同的折中特性,但当LCLC区位于缓冲层内时,需要更低的局域寿命,且更易发生通态特性的回跳现象,影响器件性能。因此将LCLC区置于集电区,即形成ITC-IGBT结构是一个更好的选择,为探索用厚片工艺制造高性能IGBT提供了必要的参考。     

3300V沟槽栅IGBT的衬底材料的优化设计

使用TCAD仿真软件对3 300 V沟槽栅IGBT的静态特性进行了仿真设计.重点研究了衬底材料参数、沟槽结构对器件击穿电压、电场峰值等参数的影响.仿真结果表明,随衬底电阻率增加,击穿电压增加,饱和电压和拐角位置电场峰值无明显变化;随衬底厚度增加,击穿电压增加,饱和电压增加,拐角位置电场峰值降低;随沟槽宽度增加,饱和电压降低,击穿电压和拐角位置电场峰值无明显变化;随沟槽深度增加,饱和电压降低,击穿电压无明显变化,拐角位置电场峰值增加;随沟槽拐角位置半径增加,击穿电压和饱和电压无明显变化,但拐角位置电场峰值减小.选择合适的衬底材料对仿真结果进行实验验证,实验结果与仿真结果相符,制备的IGBT芯片击穿电压为4 128 V,饱和电压约为2.18 V.     

基于Hefner模型的SPT+型IGBT改进通态数学模型

新一代增强平面栅软穿通型(Soft Punch Through+,SPT+)IGBT采用了阴极侧载流子浓度增强技术,降低了通态损耗.现有仿真模型大多是基于典型穿通型(Punch Through,PT)IGBT建立的,无法准确描述SPT+型IG-BT的通态特性.本文在现有PT模型的基础上,结合SPT+型IGBT的结构特点和工作特性,将基区分为PIN区和PNP区两个部分,对阴极侧载流子分布进行优化,提出一种改进的SPT+型IGBT稳态模型.通过新旧模型的仿真波形与实测波形的对比,验证了改进模型的准确性.     

沟槽栅IGBT非晶Si填槽工艺研究与优化

采用低压化学气相淀积(LPCVD)非晶Si填槽工艺代替LPCVD多晶Si填槽工艺,对沟槽绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件的沟槽进行非晶Si回填,研究并优化了高深宽比非晶Si填槽工艺.分析了LPCVD非晶Si工艺参数如PH3体积流量和沉积时间等对LPCVD非晶Si填槽能力的影响,通过调制P掺杂浓度和优化非晶Si淀积时间,得到槽底侧壁与槽口侧壁非晶Si厚度差值为0.022 μm的基准非晶Si填槽工艺,优化了LPCVD非晶Si反复多次填槽工艺条件.结果表明,采用优化后的工艺可实现沟槽栅IGBT器件沟槽非晶Si无缝回填,器件的栅极电阻降低了0.150 Ω,漏电流降低了1.408 nA,成品率提升了0.4％.     

一种新结构IGBT——内透明集电极IGBT的仿真

对新近提出的一种新结构的IGBT--内透明集电极IGBT进行了器件性能的仿真.这种IGBT是在传统非透明集电极IGBT结构基础上,通过在集电区内距离集电结很近处设置一个高复合层的方法,使器件在物理上实现了集电极对电子的透明,同时又避免了低压透明集电极IGBT制造过程中超薄片操作的技术难题.对器件的温度特性和关断特性进行了仿真研究,并与现行PT-IGBT和FS-IGBT进行了比较.仿真结果表明,通过合理调整内透明集电极IGBT的参数组合,可以使其在具有通态压降正温度系数的同时,又具有较快的关断速度,实现透明集电极IGBT的优良性能.     

3300 V p+深阱平面栅非穿通IGBT特性

高压绝缘栅双极晶体管(IGBT)存在寄生晶闸管,易发生闩锁失效.对p+深阱的参数进行了优化,制备了3 300 V p+深阱平面栅非穿通IGBT (NPT-IGBT).对NPT-IGBT的静态特性进行了仿真,结果表明,当p+结深约为5.5 μm,p+深阱距离多晶硅5μm时,p+深阱并未影响到沟道处p阱掺杂浓度,对IGBT静态特性无明显影响.制备了不同p+深阱注入剂量的IGBT芯片,并将芯片封装为模块,分别进行常温和高温下的静态和动态参数测试.测试结果表明,当p+深阱剂量低时,常温下模块关断失效;而p+深阱剂量增大时可通过常温、高温开关测试,并通过10μs短路测试.p+深阱注入剂量对静态特性无明显影响,对动态特性改善明显,可满足应用要求.     

1200V沟槽栅/平面栅场截止型IGBT短路耐量特性研究

研究了沟槽栅与平面栅结构1 200V/20A场截止(Field-stop)型(绝缘栅双极型晶体管)(IGBT)的短路耐量特性,从测试电路参数与器件本身的结构与工艺两方面对具有沟槽栅及平面栅结构的场截止型IGBT进行了探究,其中热耗散为引起击穿的主要原因。实际制作了沟槽栅-场截止型IGBT,采用优化的正面沟槽结构结合背面场截止薄片工艺,选择了合适的集电极-发射极间的饱和电流保证器件具有较低的导通压降的同时减少了焦耳热的产生,提升了芯片自身的抗短路能力(tsc>12μs),有利于沟槽栅IGBT应用的可靠性。     

一种新结构IGBT——内透明集电极IGBT的仿真研究

本文首次对新近提出的一种新结构的IGBT——内透明集电极IGBT进行了器件性能的仿真。这种IGBT是在传统非透明集电极IGBT结构基础上,通过在集电区内距离集电结很近处设置一个高复合层的方法,使器件在物理上实现了集电极对电子的透明,同时又避免了低压透明集电极IGBT制造过程中超薄片操作的技术难题。论文重点对器件的温度特性和关断特性进行了仿真研究,并与现行PT-IGBT和FS-IGBT进行了比较。仿真结果表明,通过合理调整内透明集电极IGBT的参数组合,可以使其具有通态压降正温度系数的同时,又具有较快的关断速度,实现透明集电极IGBT的优良性能。     

一种新结构IGBT--内透明集电极IGBT的仿真

对新近提出的一种新结构的IGBT--内透明集电极IGBT进行了器件性能的仿真.这种IGBT是在传统非透明集电极IGBT结构基础上,通过在集电区内距离集电结很近处设置一个高复合层的方法,使器件在物理上实现了集电极对电子的透明,同时又避免了低压透明集电极IGBT制造过程中超薄片操作的技术难题.对器件的温度特性和关断特性进行了仿真研究,并与现行PT-IGBT和FS-IGBT进行了比较.仿真结果表明,通过合理调整内透明集电极IGBT的参数组合,可以使其在具有通态压降正温度系数的同时,又具有较快的关断速度,实现透明集电极IGBT的优良性能.     

一种电场调制载流子存储槽栅双极型晶体管

提出了一种性能优良的电场调制载流子存储槽栅双极型晶体管(CSTBT)。结合电场调制原理,在器件的载流子存储(CS)层引入P掺杂条,改善器件栅极下方氧化硅拐角处的电场分布,防止器件提前发生雪崩击穿,提高了器件的击穿电压。器件处于关断状态时,内部大量的空穴载流子通过CS层中未完全耗尽的P掺杂条到达发射极,抑制了CS层阻挡空穴的作用,有效提高了器件的关断速度。与传统CSTBT器件相比,改进器件的击穿电压值提高了379 V,关断时间缩短了19.1%,器件性能大幅提高。     

功率器件IGBT槽栅设计尺寸对直流参数影响的研究

IGBT由于其优异特性而广泛应用于电机、电焊机和功率开关等领域,是功率器件的主流产品之一。本文首先简要介绍IGBT及历代器件工艺的发展,提出了一种槽栅IGBT的工艺流程,并研究了其槽栅设计尺寸对器件主要直流参数的影响。     

650 V IGBT横向变掺杂终端的设计与优化

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)器件的最重要参数之一是击穿电压(Breakdown Voltage, BV),影响IGBT器件BV的因素包括：平面工艺PN结扩散终端、界面电荷、杂质在Si、SiO₂中具有不同分凝系数等。其中影响IGBT器件耐压能力的重要因素是芯片终端结构的设计,终端区耗尽层边界的曲率半径制约了BV的提升,为了能够减少曲率效应和增大BV,可以采取边缘终端技术。通过Sentaurus TCAD计算机仿真软件,采取横向变掺杂(Variable Lateral Doping, VLD)技术,设计了一款650 V IGBT功率器件终端,在VLD区域利用掩膜技术刻蚀掉一定的硅,形成浅凹陷结构。仿真结果表明,这一结构实现了897 V的耐压,终端长度为256μm,与同等耐压水平的场限环终端结构相比,终端长度减小了19.42%,且最大表面电场强度为1.73×10⁵ V/cm,小于硅的临界击穿电场强度(2.5×10⁵ V/cm);能在极大降低芯片面积的同...     

压接式IGBT芯片的研制

基于现有工艺平台开发了一款具有自主知识产权的3 300V/50A非穿通型(NPT)压接式IGBT芯片。该芯片元胞采用平面型结构,元胞注入采用自对准工艺,背发射极采用透明集电极技术。为适用于压接封装,避免压力对MOS沟道的影响,在有源区淀积第二层厚金属铝,并在JFET区上方用场氧垫高。终端采用场环+多级场板复合结构,结合横向的场终止技术,实现高效率的终端结构设计。将此设计进行流片验证,测试结果显示击穿电压4 200V以上,饱和压降3.75V,阈值电压7.1V,实测值和仿真值相差不大。将压接式芯片封装成3 300V/600A压接式模块,饱和压降较芯片级偏小0.05V。     

中子辐照对IGBT特性的影响

简要分析了ＩＧＢＴ器件的工作机理,制作了２０Ａ／１０５０Ｖ的ＩＧＢＴ芯片,给出了测试结果。对试制芯片进行了中子辐照实验,对比了辐照前后器件的关断特性。     

内透明集电极绝缘栅双极晶体管温度特性的仿真研究

ITC-IGBT是新一类IGBT,它在PT-IGBT结构基础上,在集电区近集电结附近引入一局域载流子寿命控制(LCLC)层,只要该层内载流子寿命足够低,则LCLC层对其以下衬底内的空穴具有屏蔽作用,从而使集电区范围变窄、集电区电子有效扩散长度减小,可使器件集电区由非透明变成内透明。本论文首次对600V平面栅内透明集电极IGBT(ITC-IGBT)的温度特性进行了仿真研究,并与传统PT-IGBT进行了比较。仿真结果表明,ITC-IGBT不仅技术折衷曲线明显优于PT-IGBT,且电流零温度系数点以及关断损耗随温度的增加率也比PT-IGBT要低,这说明ITC-IGBT不仅具有优良的电参数指标,同时具有良好的热稳定性。是一类颇具潜力的低压快速IGBT。     

一种高压大电流IGBT的设计与实现

提出了高压绝缘栅双极晶体管(IGBT)的设计方法,根据国内现有工艺水平,设计了1 700 V/100 A高压大电流的NPT-IGBT,包括其元胞结构、终端结构、工艺流程及版图的设计。通过分析及仿真确定元胞的结构参数;采用场限环与场板相结合的终端结构,讨论场板的设置对终端结构的影响,提出了多晶硅场板设置的方案;流片完成后进行半桥模块的封装,并对模块进行了测试。击穿电压达1 700 V以上,栅发射极漏电流小于80 nA、关断时间小于800 ns、关断功耗小于30 mJ,均达到设计要求。导通饱和压降3.5 V(略高),可通过增大芯片尺寸的方法加以改进。     

IGBT器件栅极漏电问题研究

IGBT器件具有输入阻抗高和导通压降低的优点,在大功率电力电子领域具有广泛的应用,但IGBT器件的栅极漏电问题严重影响产品的成品率和可靠性,是产品制造工艺控制的关键。栅极漏电问题主要由栅氧化层质量、多晶硅栅形貌以及栅极与发射极之间的隔离等问题所致,通常造成栅极短路漏电的原因比较容易发现,但栅极轻微漏电的原因比较复杂,需要通过科学的分析,才能找到问题的根源。通过对典型栅极漏电(栅极间呈现二极管特性)问题的调查,总结了解决问题的思路和方法,对IGBT芯片制造者或器件应用者有一定的参考作用。