具有载流子加速效应的LIGBT的研究与流片实现

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绝缘栅双极型晶体管(IGBT)凭借其高栅极输入阻抗、低导通电阻等优点,迅速的发展成为功率半导体器件的典型代表,广泛地应用于家用电器、工业控制、汽车电子、新能源等领域。由于IGBT器件在导通阶段,阳极的大注入效应使得大量空穴被注入漂移区,漂移区内发生电导调制效应,电子和空穴同时参与导电,器件的导通电阻迅速降低,而在器件栅极关断后,器件电子导电通路关闭,漂移区内的大量非平衡电子没有快速的泄放通路,只能通过复合消除,所以形成较长的拖尾电流现象。这就限制了器件的开关频率和提高了器件的关断损耗。随着功率半导体市场对高速大电流开关器件的需求越来越旺盛,研究者们努力在寻找解决IGBT器件导通电阻与关断时间之间的矛盾制约关系方案。本文就是在这一的背景下,提出了一种新型的具有载流子加速效应的LIGBT(Carrier Accerated Lateral IGBT,CA-LIGBT)器件,本文提出的CA-LIGBT器件是在传统LIGBT的基础上,引入一个位于漂移区上方的多晶硅辅助栅极,在器件的关断阶段,该辅助栅极可以在漂移区中间位置引入一个新的电场峰值,使得器件在整个漂移区内的电场分布更加均匀,以提高器件的击穿电压。在器件导通阶段,该辅助栅极可以提供一个从阳极到辅助栅极的额外电场,使得阳极注入漂移区内的空穴载流子获得加速,进而提高阳极的注入效率,降低器件的导通阻抗。在器件的关断过程中,辅助栅极同样的会促进空穴载流子向漂移区内注入,以加速漂移区内的非平衡电子复合速度,从而缩短器件的拖尾电流时间,减少器件的关断损耗。基于对CA-LIGBT器件的理论分析,本文设计了一款400V耐压的CA-LIGBT器件结构,并通过TCAD软件Sentaurus对器件进行建模和各项性能仿真验证,根据仿真结果,对比传统的LIGBT器件,本文设计CA-LIGBT器件可以在提高击穿电压、导通电流密度的同时,还大幅缩短了器件在关断时的拖尾电流时间。本文使用了与传统BCD工艺相兼容的工艺步骤,对400V CA-LIGBT器件进行工艺流程设计,对工艺步骤仿真验证后,进行了版图设计,并在中科渝芯1.0μm工艺下流片,在流片完成进行器件的的封装工作,同时对器件的驱动方案进行设计,通过测试工作来验证该驱动方案。经过对流片后的400V CA-LIGBT器件的测试,器件的耐压值为350V,导通电流密度达到155A/cm~2,器件的关断时间为190ns,器件阳极的上升时间为90ns。
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