3300 V FS型IGBT器件研制

基于现有仿真及工艺平台,设计一款3 300V/50A场截止型绝缘栅双极晶体管器件(FS-IGBT),元胞采用场截止型平面栅结构,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,降低导通状态的饱和压降。采用二维数值仿真主要研究了FS结构以及P~+集电极掺杂参数对器件性能的影响,通过参数拉偏仿真,重点分析了FS层和集电极P区注入剂量对器件参数的影响,确认了最佳的工艺窗口条件。通过合作方工艺平台对最终的结构进行了加工,最终测试结果显示IGBT器件通态压降为2.8V,击穿电压大于4 250V,关断损耗37mJ,开通损耗50mJ。     

1700V/100A平面型NPT-IGBT静态特性研究

基于现有工艺平台设计一款1 700V/100A非穿通型绝缘栅双极晶体管器件(Non punch through insulator gate bipolar transistor,简称NPT-IGBT),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,对其静态特性进行工艺仿真。仿真结果显示,调整P阱注入剂量及P阱推结时间可以改变器件的阈值电压,调整P阱及背面P+集电极注入剂量可以改变器件的饱和电压。将此设计进行流片验证,结果显示击穿电压在2 100V以上,饱和压降在2.5~2.7V之间,阈值电压在3.9~5.9V之间,实测值和仿真值相差不大,在误差接受范围之内。     

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。     

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。     

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。     

具有积累层沟道的槽栅IGBT结构

提出了一种具有积累层沟道的槽栅IGBT结构。仿真结果表明：在阻断电压为1200V,集电极电流密度为100 A/cm2,温度分别为300K和400K下的情况下,积累层沟道槽栅IGBT的正向压降分别为1.5V 和2V而常规槽栅IGBT分别为1.7V和2.4V。新结构比常规槽栅IGBT具有更低的开态压降和更大的正向安全工作区。文中同时分析了积累层沟道槽栅IGBT的阻断特性和关断特性。     

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。     

3300V碳化硅肖特基二极管及混合功率模块研制

基于数值仿真结果,采用结势垒肖特基(JBS)结构和多重场限环终端结构实现了3 300 V/50 A 4H-SiC肖特基二极管(SBD),所用4H-SiC外延材料厚度为35 μm、n型掺杂浓度为2× 1015cm-3.二极管芯片面积为49 mm2,正向电压2.2V下电流达到50 A,比导通电阻13.7 mΩ· cm2;反偏条件下器件的雪崩击穿电压为4 600 V.基于这种3 300 V/50 A 4H-SiC肖特基二极管,研制出3 300 V/600 A混合功率模块,该模块包含24只3 300 V/50 A Si IGBT与12只3 300 V/50 A 4H-SiC肖特基二极管,SiC肖特基二极管为模块的续流二极管.模块的动态测试结果为:反向恢复峰值电流为33.75 A,反向恢复电荷为0.807 μC,反向恢复时间为41 ns.与传统的Si基IGBT模块相比,该混合功率模块显著降低了器件开关过程中的能量损耗.     

基于高压大电流模块应用的3300V软穿通快速IGBT的设计

设计了3 300V/50A的软穿通型IGBT芯片(SPT IGBT),利用数值仿真软件MEDICI对其各项特性进行了仿真研究,包括静态特性、开关特性、动态雪崩特性、短路特性、电容特性和闩锁特性,在满足设计需求的同时重点进行动态失效特性仿真,验证了该器件的可靠性。仿真结果显示,器件的额定工作电流为50A、正向阻断电压为4 178.8V、阈值电压VTH为7.8V、导通压降为2.67V、短路电流为857A、工作电流为100A时的雪崩耐量为1.755J。利用局域载流子寿命控制的方法对器件进行优化后,器件的正向阻断电压仍为4 178.8V,导通压降为4.13V,没有明显的改变,关断时间由6 725.75ns降低到了1 006.49ns,关断速度提高了568%,大大提高了器件的性能,降低了损耗。     

高压Trench IGBT的研制

介绍了当前绝缘栅双极晶体管(IGBT)的几种结构及沟槽型IGBT的发展现况,分析了高电压沟槽型非穿通(NPT)IGBT的结构及工艺特点。通过理论分析计算出初步器件的相关参数,再利用ISE仿真软件模拟器件的结构及击穿和导通特性,结合现有沟槽型DMOS工艺流程,确定了器件采用多分压环加多晶场板的复合终端、条状元胞、6μm深度左右沟槽、低浓度背面掺杂分布与小于180μm厚度的器件结构,可以很好地平衡击穿特性与导通特性对器件结构的要求。成功研制出1 200 V沟槽型NPT系列产品,并通过可靠性考核,经过电磁炉应用电路实验,结果表明IGBT器件可稳定工作,满足应用要求。该设计可适合国内半导体生产线商业化生产。