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绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）因同时具有MOS器件输入电阻高、开关速度快、易驱动等优点和双极型器件正向导通压降低的优点,已成为中大功率电力电子系统的核心器件。IGBT技术如今已发展至第七代,采用了微沟槽栅（Micro Pattern Trench,MPT）、场阻止（Field Stop,FS）技术、载流子存储（Carrier Stored,CS）技术、虚拟栅（Dummy Gate,DG）、浮空P-body区和薄片工艺等新结构、新工艺,显著提升了IGBT器件的静动态性能和可靠性。但从当前第七代IGBT器件结构看,沟槽（Trench）节距已经降低至1.6μm,更小的Trench节距会使晶圆产生更严重的翘曲问题,且会限制接触孔的尺寸而影响器件的过流和短路能力,似乎IGBT器件性能已接近硅极限,因此超结（Super Junction,SJ）技术是否能成为提升IGBT器件性能的方法是当前研究的热点。本文以浮空P-pillar结构的SJ-IGBT的设计、新结构、新工艺及其中子与总剂量辐射效应作为研究方向,以验证SJ技术在IGBT器件中的适用性及其在辐射环境中应用的潜力。本文主要研究内容与创新工作如下:1.浮空P-pillar结构的SJ-IGBT的设计建立以槽栅为基础的浮空P-pillar结构SJ-IGBT（FP-SJ-IGBT）的等效电路,其导通阶段经历三种模式:小电流下的单极导通模式、中等注入下的混合导电模式和大电流下的电导调制模式。FP-SJ-IGBT能很好地克服采用传统SJ-MOS结构（即P-pillar与P-body相连,Connected P-pillar and P-body,CPP）设计的SJ-IGBT存在的高电流密度下电导调制效应较弱的问题,降低了IGBT器件正向导通压降。基于理论分析,开展了FP-SJ-IGBT的结构参数和工艺设计,并且在国内某8寸平台进行制作,封装测试后可知,所研制的650 V器件,在正向导通电流密度为449A/cm~2时,正向导通压降为1.7 V,相比于报道的两款CPP-SJ-IGBT器件在同等电流密度下分别降低12.8%和5.56%。且在该电流密度下的关断损耗为0.23 m J,远低于实验报道的CPP-SJ-IGBT的3.3 m J。此外,在结温为150℃,直流母线电压400 V下,FP-SJ-IGBT器件的短路时间不低于10μs。2.超薄FP-SJ-IGBT的设计首次提出并实现45μm厚的650 V级超薄FP-SJ-IGBT器件。薄片工艺是提升IGBT器件电学参数的一个有效方法,可以降低器件的正向导通压降、关断损耗和热阻,提升IGBT器件的电流导通能力。对于600-650 V IGBT器件,受限于器件的击穿电压和代工厂设备的制造能力,器件的硅片厚度一般不低于60μm。设计超薄FP-SJ-IGBT器件的制造工艺,通过设备改造和监控能力提升,开展背面研磨,N型隔离层注入等工艺研究,将器件厚度减薄至约45μm。流片封装测试结果如下:击穿电压分布在660-790 V之间,在电流密度为650 A/cm~2时,超薄FP-SJ-IGBT器件的正向导通压降是1.86 V,关断损耗为0.34 m J,相比FP-SJ-IGBT器件分别降低7.92%,22.7%;且在常温下,直流母线电压400V下,短路时间不低于10μs,在结温为150℃时也不低于8μs。正向导通压降、关断损耗以及封装热阻的降低使得超薄FP-SJ-IGBT器件的工作电流密度可达到650 A/cm~2。3.多通道FP-SJ-IGBT的设计FP-SJ-IGBT器件的一个特殊之处在于P-pillar与P-body不相连接,从而使得器件设计时SJ结构和顶部MOS结构可以分开独立设计,这样可将传统IGBT器件所用技术与浮空SJ结构整合起来。顶部MOS结构中Trench的节距不受SJ节距的影响。基于此,提出多通道（Multi-Trench,MT）的SJ-IGBT器件,采用的SJ结构节距为9μm,设计Trench节距为3μm的元胞结构MT1-FP-SJ-IGBT（增加的Trench两侧未设置发射区）和MT2-FP-SJ-IGBT（增加的Trench接发射极电位）,设计Trench节距为1.8μm的元胞结构MPT-FP-SJ-IGBT。通过仿真,这三种结构的正向导通压降和关断损耗的折中关系（trade-off）均优于Infineon第七代IGBT技术。经过制造与测试,MT1-FP-SJ-IGBT器件在电流密度为449 A/cm~2时,正向导通压降约为1.6 V,与FP-SJ-IGBT相比降低了5.88%,关断损耗为0.45 m J,增大了2.27%。短路特性相比于FP-SJ-IGBT器件没有变化,在结温为150℃,直流母线电压400 V下,短路时间不低于10μs。此外,优化的米勒电容和输入电容比例减缓了器件开启时的栅极电压振荡,同时较小的米勒电容也加快了器件的关断速度。4.FP-SJ-IGBT的位移损伤效应中子辐射产生的位移损伤（Displacement Damage,DD）效应会减小半导体材料中少数载流子寿命、降低器件的有效掺杂浓度。通过对FP-SJ-IGBT器件进行0-1014cm-2剂量的中子辐射实验发现,FP-SJ-IGBT作为双极型器件主要受少数载流子寿命减小的影响。DD效应会增大FP-SJ-IGBT器件的击穿电压和漏电流,但是退化机理不同。漏电流是由于耗尽区少数载流子寿命的降低造成的,而击穿电压的升高是由于团簇缺陷的作用。此外DD效应消除了SJ-IGBT器件特有的击穿点电压snapback现象。FP-SJ-IGBT器件正向导通特性随中子辐射剂量的不同而变化,这与器件工作在不同的导电模式有关,DD效应导致载流子寿命降低会使器件的复合电流和扩散电流在不同工作模式下起着不同的作用。当中子辐射剂量大于1012cm-2时,DD效应会降低FP-SJ-IGBT器件的饱和输出电流。5.FP-SJ-IGBT的电离辐射效应γ射线辐照在氧化层中产生电离辐射效应,会在氧化层中形成正空间电荷,在Si O2/Si界面产生界面态。通过对FP-SJ-IGBT器件进行200 krad的γ射线辐照,实验发现器件的转移特性曲线往左漂移严重且产生畸变,表明器件的阈值电压发生显著退化,且跨导也明显减小。而γ射线辐照对输出特性的影响与辐照剂量和栅极电压有关,辐照产生的界面态降低了少子迁移率,从而降低了部分电子电流。在不同栅极电压下,器件工作在不同模式,受影响的电子电流在其中的占比决定了辐照对器件输出特性的影响。当栅极电压足够大时,受影响的电子电流可忽略,此时器件的输出特性曲线与辐照剂量无关。γ射线辐照对器件的击穿电压没有影响,但会增加器件的漏电流。而在测试时加负栅压可消除部分氧化层固定电荷和界面态的影响,使得漏电流降低幅度减小。综上可知,本论文主要工作是开展浮空P-pillar结构的SJ-IGBT的工作机理、新结构等方面的研究,同时进行了工艺设计和流片测试分析,结果表明,SJ-IGBT的优良特性,是未来基于硅材料来提升功率器件的一个主流方向。通过本课题的研究,已经在国内某8寸生产线建立了国内首套SJ-IGBT的工艺制造平台,为我国在该领域包括但不限于国产化替代奠定了一定的基础。鉴于和8寸线的合作开发的保密要求,工艺细节没有展开。