高速高压IGBT瞬态抽出模型与新结构

首次提出高速高压IGBT瞬态抽出模型与新结构。基于非平衡载流子的双极输运理论，解析分析关断瞬间非平衡载流子的动态响应；引入抽出因子，定量描述抽出效率与关断时间的解析关系。在此模型指导下，提出了双通道电子抽出高速高压新型横向LIGBT。该器件在正向导通时能有效抑制NDR现象，保持工作时的大导通能力；与常规LIGBT相比，关断速度提高50%-80%，解决了当前LIGBT器件关断速度慢的关键问题。该模型的建立及新结构器件的实验研制对发展高速高压可集成LIGBT有重要的指导作用。本项目是一项前沿性、应用基础性研究,对功率半导体器件及理论的发展具有重要意义。

IGBT具有驱动功耗低、导通能力强、热稳定性好、耐压特性高和安全工作区大等优点，是新型功率器件的典型代表器件。横向结构IGBT与普通的纵向结构相比更适合当前半导体的平面制造工艺、更易于集成在硅基或者SOI基的功率集成电路中，可以广泛应用于各种电力电子系统。电导调制效应使IGBT器件具有较低正向压降的同时，漂移区非平衡电子空穴对的存储也使其关断速度明显减慢，限制了应用频率并增加了开关损耗，这成为IGBT器件进一步应用的主要障碍。本项目以SOI基横向IGBT器件（SOI LIGBT）为具体研究对象，采用电势控制解析分析、数值仿真和实验验证三者相结合的方法，首次提出高速高压IGBT瞬态抽出模型与新结构。本项目提出的新结构器件大大改善了器件导通压降与关断时间之间的约束关系，为当前LIGBT器件关断速度慢的关键问题提供了解决方法，对发展高速高压可集成LIGBT有重要的指导作用。本项目全面完成了预期研究目标，研究成果包括：1.提出高速LIGBT电势控制（PA）理论并建立高速高压LIGBT瞬态抽出模型。基于非平衡载流子的双极输运理论，解析分析关断瞬间非平衡载流子的动态响应，引入抽出因子，定量描述抽出效率与关断时间的解析关系。2.提出双通道电子抽出高速高压新型LIGBT器件，包括双通道三维PA区阳极高速LIGBT器件和复合PA区阳极高速LIGBT器件。新结构器件在正向导通时能有效抑制snapback现象，同时加快了LIGBT的关断速度，关断速度相比常规结构提高50%~80%。3.实验研制双通道电子抽出高速高压新型LIGBT器件。在1.5µm顶层硅厚度、3µm埋氧层厚度的SOI材料上实现了新结构器件的研制，包括数值模拟、工艺设计、版图设计、实验流片及测试，验证了提出的瞬态抽出模型的正确性和新结构器件的可行性。在本项目的支持下，已申请中国发明专利16项，获授权中国发明专利1项；在IEEE Electron Device Letters等发表论文18篇，其中SCI收录论文9篇。