高速高压fs-igbt新结构研究.docx

南京邮电大学学位论文原创性声明
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摘要
本文简要介绍了绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) 的发展历史和基本工作原理,较为全面地总结了国内外降低高压 IGBT 关断时间、优化导通-关断功耗折衷关系的研究进展与现状。接着从结构角度出发,研究提出了三种新型场截止型(Field Stop,
FS)-IGBT 结构。在改善高压 FS-IGBT 通态-关断折衷关系的同时大幅提高了器件的耐压: 沟槽阳极短路(Trench Shorted Anode,TSA)-FS-IGBT 结构:在阳极引入槽型氧化层并填充
电极形成阳极短路结构,从而大幅降低了器件的关断时间。结合 MEDICI 器件仿真工具和器件物理知识,详细分析了阳极沟槽长度和厚度对 TSA-FS-IGBT 耐压、通态特性(包括 Snapback 现象,饱和特性,温度特性和电流均匀性)及关断特性的影响。结果表明,在 1200V 级阻断电压下,TSA-FS-IGBT 比传统 FS-IGBT 结构耐压高 257V(约 %)。且 TSA-FS-IGBT 具有更
好的功耗折衷关系。此外,TSA-FS-IGBT 可以完全消除 Snapback 现象。阳极氧化埋层(Anode Buried Oxide, ABO)-FS-IGBT 结构:基于 TSA-FS-IGBT 结构,
ABO-FS-IGBT 在阳极只引入一薄氧化层。薄氧化层同样能在阻断时引入电子积累层以提高击穿电压。仿真分析了器件的埋层长度和厚度对耐压、通态特性(包括 Snapback 现象,饱和特性,温度特性和电流均匀性)和关断时间的影响。仿真结果表明,ABO-FS-IGBT 的耐压可达到 1551V(较传统 FS-IGBT 提高约 %), 略低于 TSA-FS-IGBT,但功耗折衷关系更优。
阳极浮空 P 型埋层(Floating P-type Layer, FPL)-FS-IGBT 结构:ABO-FS-IGBT 虽然简化了工艺步骤,但是在器件背面制作氧化层还是较为复杂。FPL-FS-IGBT 在阳极通过离子注入即可引入 P 型浮空埋层。综合考虑耐压、通态压降和关断功耗的条件下,结合器件仿真结果和器件理论得到了优化的 P 埋层长度、浓度和厚度。此外,还分析了不同器件参数下阳极 NPN 晶体管开启对器件关断时间的影响。FPL-FS-IGBT 耐压较传统 FS-IGBT 提高了 182V(约 14%) 且具有更好的通态-关断折衷关系。
关键词: 场截止绝缘栅晶体管,关断时间,导通压降,击穿电压,负阻现象
I
Abstract
The development and basic working principle of insulated gate bipolar transistor (IGBT) is briefly introduced. The progress and the state of art in optimizing the forward drop and turn off loss trade-off relationship prehensively summarized. From the point of device structure, three novel Field Stop (FS) IGBT structures are proposed. All of the structures have better trade-off relationships and much higher breakdown pared to the conventional cou