智能功率模块用550V厚膜SOI-LIGBT短路特性的研究与优化

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近年来,智能功率模块因其高集成度、高可靠性、低成本等优势已经被广泛应用于工业设备、航模航拍、新能源交通工具等领域。绝缘体上硅绝缘栅双极型晶体管(Silicon on insulator-lateral insulated gate bipolar transistor, SOI-LIGBT)作为智能功率模块中最基本的元器件之一,具有绝缘性能好、寄生电容小、泄漏电流小和集成度高等优点,然而,其结构中埋氧层的热传导率较低,顶层硅中器件工作时产生的热量难以及时散出,器件内部强烈的自热效应易导致其短路失效,此缺点阻碍了整个芯片品质的整体提升,因此研究SOI-LIGBT器件的短路能力具有重要意义。本论文对SOI-LIGBT器件的短路特性进行了深入研究,从器件的结构和版图角度分别进行了设计。首先,本论文根据短路测试和模拟仿真结果确定了传统器件短路失效的原因为器件鸟嘴区电场与电流过于集中导致的该区域提前热击穿。然后,通过建立SOI-LIGBT器件在短路状态下的热模型,由此得到了器件关键结构参数和掺杂浓度对器件内部热分布的影响。进而,根据建模结果提出了一种载流子积累层槽栅蛇形沟道SOI-LIGBT器件(Carrier Storage Trench Snake-LIGBT, CSTS-LIGBT),该器件采用了槽栅蛇形沟道结构和载流子积累层结构,最终实现了较强的短路能力。最后,本文对CSTS-LIGBT器件的工艺和版图进行了设计,以适应智能功率模块的应用。流片测试结果表明:本论文所设计的CSTS-LIGBT器件在25℃条件下和200℃条件下,短路时间分别达到了27.4μs和7.6us(Vge=5V,Vce=300V),并且其它静态和动态参数相比于传统器件没有发生退化,满足了智能功率模块中的应用要求。
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