内透明集电极IGBT(ITC-IGBT)与PT-IGBT、FS-IGBT的性能比较

首次对600 V平面型内透明集电极IGBT(ITC-IGBT)、PT-IGBT和FS-IGBT通态电压与关断能耗之间的折中曲线进行了仿真分析和比较.ITC-IGBT是在PT-IGBT结构中的p+型衬底与n型缓冲层之间加入一层厚度很薄、掺杂浓度低于p+衬底的p型内透明集电区,并且在集电区之内、集电结附近设置具有很低过剩载流子寿命的载流子局域寿命控制层,从而实现透明集电极的效果.仿真结果表明,ITC-IGBT具有优良的综合性能,采用缓冲层浓度最优值的ITC-IGBT的折中曲线明显优于PT-IGBT与FS-IGBT.说明ITC-IGBT结构不仅能解决现有透明集电极IGBT超薄片加工工艺难度大的问题,还为进一步改善IGBT器件综合性能提供了新途径.     

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。     

一种具有低寿命区的阳极短路4H-SiC IGBT仿真研究

传统沟槽型4H-SiC IGBT中关断损耗较大,导通压降和关断损耗难以折中。针对此问题,文中提出了发射极区域含有低寿命区,同时集电区引入阶梯型集电极的LS-IGBT结构来降低器件的关断损耗。通过同时控制集电区注入的空穴载流子数量和P基区载流子的寿命,在基本维持器件击穿电压的前提下降低器件的关断损耗。使用Silvaco Atlas器件仿真工具对改进结构进行特性仿真分析,并与传统结构进行对比。仿真结果显示,在击穿电压一致的前提下,新结构的关断损耗提升了84.5 %,同时器件的导通压降降低了8.3 %,证明了设计思想的正确性。     

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。     

仿真研究变掺杂缓冲层技术对MOSFET抗SEB能力的改善

内透明集电极(Internal Transparent Collector,简称ITC)绝缘栅双极晶体管(IGBT)是新一类IGBT,其特点是在传统穿通型(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)区,从物理上屏蔽厚衬底中空穴的注入,使集电区范围变窄、集电区少子有效扩散长度减小,器件集电区由非透明变成内透明。本论文针对600V平面栅ITC IGBT的短路特性进行仿真研究,重点讨论LCLC区的位置及LCLC区内载流子寿命对器件短路的影响。结果显示,对一定的载流子寿命,随着LCLC区距集电结距离减小,器件短路性能增强;而对固定的LCLC区位置,随着LCLC区内载流子寿命降低,器件短路性能进一步改善。所有这些最终都可以归结于背发射极效率的影响。     

逆导型沟槽FS IGBT的设计与实现

逆导型沟槽场终止绝缘栅双极型晶体管(RC Trench FS IGBT)是一种新型的功率半导体器件,具有成本低、体积小、可靠性高等优点.设计并实现了一款1200V逆导型沟槽FS IGBT.重点研究了逆导型绝缘栅门极晶体管(RC IGBT)特有的回扫现象,以及如何从结构设计上消除回扫现象,其次,对RC IGBT在不同的载流子寿命下,进行了开关特性、反向恢复特性的仿真.研究结果发现随着载流子寿命的降低,其开关时间、反向恢复特性都有一定程度的改善.依据器件的最优化设计进行了流片.测试结果验证了不同设计对电流回扫现象的影响,以及不同少子寿命下导通特性和反向恢复特性的变化规律,器件的性能得到优化.     

一种具有低寿命区的阳极短路4H-SiCIGBT仿真研究

传统沟槽型4H-SiC IGBT中关断损耗较大,导通压降和关断损耗难以折中.针对此问题,文中提出了发射极区域含有低寿命区,同时集电区引入阶梯型集电极的LS-IGBT结构来降低器件的关断损耗.通过同时控制集电区注入的空穴载流子数量和P基区载流子的寿命,在基本维持器件击穿电压的前提下降低器件的关断损耗.使用Silvaco ...     

600 V高性能新型槽栅内透明IGBT的仿真

载流子存储层(CSL)可以改善IGBT导通态载流子分布,降低通态电压,但影响器件阻断能力。为了平衡载流子存储层对器件阻断能力的影响,在器件n-漂移区中CSL层处近哑元胞侧设计了p型埋层(p BL),利用电荷平衡的理念改善电场分布,并借助ISE-TACD仿真工具,依托内透明集电极(ITC)技术,研究了600 V槽栅CSL-p BL-ITC-IGBT电特性。为了保证器件承受住不小于10μs的短路时间,设置了哑元胞。在此基础上,仿真分析了CSL和p BL的尺寸及掺杂浓度、哑元胞尺寸等对器件特性的影响,并与普通的槽栅ITC-IGBT、点注入局部窄台面(PNM)ITC-IGBT的主要技术指标进行对比,给出CSL和p BL的尺寸及掺杂浓度的最佳范围。结果表明,合理的参数设计可使CSL-p BL-ITC-IGBT具有更优的技术折中曲线。     

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。     

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。     

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。     

Trench SJ IGBT 的仿真研究

本文对沟槽型超结绝缘栅双极晶体管(trench SJ IGBT)进行了全面的分析,并通过Sentaurus TCAD仿真软件将其与沟槽型场截止绝缘栅双极晶体管(trench FS IGBT)进行了详尽的对比,仿真结果显示,在相同的条件下与trench FS IGBT 相比,trench SJ IGBT 的击穿电压提高了100 V,饱和导通压降降低了0.2 V,关断损耗减少了50%。最后,文章研究了电荷不平衡对trench SJ IGBT 的动静态参数的影响。对各参数和它们对电荷不平衡的灵敏度之间的折中进行了讨论。     

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。     

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。     

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。     

缓变场终止型IGBT特性的仿真

为改善场终止型绝缘栅双极型晶体管(FS-IGBT)电场终止能力的可靠性,对一种缓变场终止型绝缘栅双极型晶体管(GFS-IGBT)的特性进行了仿真研究.与传统FS-IGBT的突变场终止层不同,GFS-IGBT所具有的场终止层是一个厚度为20～30 μm,峰值掺杂浓度为3.5×1015 cm-3的缓变场终止层.采用Sentaurus TCAD仿真软件,对600 V/20 A的FS-IGBT与GFS-IG-BT和非穿通型IGBT (NPT-IGBT)在导通、开关和短路特性等方面进行了对比仿真.结果表明,在给定的参数范围内,GFS-IGBT具有更低的通态压降、良好的关断电压波形以及更小的关断能耗.最后介绍了一种针对600 V IGBT器件的缓变场终止结构的制造技术.     

具有P型浮空层的新型载流子存储槽栅双极晶体管

文中提出了一种具有P型浮空层的载流子存储槽栅双极晶体管。引入P型浮空层,可以增加载流子存储层厚度和掺杂浓度,有效地提高了近发射极的电导调制作用,降低积累层电阻和扩展电阻,使得导通损耗大大减小。同时,P型浮空层改善了传统结构中的电场分布,提高器件击穿电压。仿真结果表明：新结构较传统槽栅IGBT和载流子存储槽栅双极晶体管正向导通压降分别降低约20%和17%,正向阻断电压提高了100V以上,且没有使得短路安全工作区（SCSOA）减小。     

150 V电荷耦合功率MOSFET的仿真

电荷耦合是适用于中等电压功率MOSFET设计的先进设计理念之一,该设计思想旨在改善器件阻断态下的电场分布从而提高耐压。针对150 V电荷耦合功率MOSFET双外延漂移区(分别为电荷耦合区N1区与非耦合区N2区)电荷匹配问题进行了仿真优化研究,结果表明:N1区和N2区浓度分别约为2.2×1016cm-3和4.5×101 5cm-3时,电场分布更加均匀、耐压更高,且比导通电阻仅为1.306 mΩ·cm2,即击穿电压和比导通电阻间达到最佳匹配。同时,还针对器件不同槽深进行了静态特性和动态特性的整体仿真优化研究,结果表明:槽深在7~9μm时,器件满足耐压要求且击穿电压随双漂移区掺杂浓度匹配程度变化较为平稳。最后,优化结构与传统槽栅MOSFET相比,其栅漏电容和栅电荷大幅降低,器件优值降低了约87%。