压控半导体高功率开关器件瞬态输运机理与关键技术研究

This proposal aims at the problems and challenges that the voltage-controlled high power semiconductor switches faced, committed to carrying out researches in the transient transport mechanism and key technologies by theoretically and experimentally. Main innovations of the researches include: 1) To propose a bipolar transient transport (BTT) model of the voltage-controlled high power semiconductor switches, exploring the bipolar carriers transport theory, revealing the physical nature of the conducting mechanism, discovering the relative disciplines of transport in the impulsive discharge circumstance and building the BTT model. It provided a guideline for the design and fabrication techniques. 2) Taking into account every link such as theory, design, techniques and materials, the designs and the fabrication techniques to realize the high di/dt power devices are studied. Especially through an integrated innovation of the triple diffusion and high injection efficient back-implantation, new methods and technologies for the design and fabrication of the high di/dt power devices are proposed. Thus, a voltage-controlled high power semiconductor switching device, that exhibited a blocking voltage of more than 1400V, an on-state current of more than 65A, a di/dt of more than 25kA/ms and an impulsive peak current of more than 5000A, is achieved. This proposal is a fundamental research in both the device theory and experiment, which is of great significance in the developing of the voltage-controlled high power semiconductor switching devices.

本申请针对压控半导体高功率开关器件发展中所面临的问题与挑战，开展高di/dt下器件瞬态输运机理与关键技术的理论与实验研究：主要创新研究为：1）提出压控半导体高功率开关器件脉冲前沿的双极输运瞬态模型---探索高脉冲di/dt下的双极载流子输运动力学，揭示器件导通机制的物理本质，发现在高di/dt下影响瞬态输运的相关规律，建立双极输运瞬态模型，为本申请的器件设计与制造提供指导思想。2）从理论、设计、工艺、材料等各个环节入手，研究实现高di/dt器件的设计与工艺技术方法，特别是通过对器件三重扩散和高注入背面等关键技术的集成创新，提供一种新的高di/dt器件设计与研制的方法与技术，获得一种耐压大于1400V、工作电流大于65A、di/dt大于25kA/us、脉冲峰值电流大于5000A的压控半导体高功率开关器件。本申请是一项器件理论与实验的应用基础研究，对压控半导体高功率开关器件的发展具有意义。

本课题针对压控半导体高功率开关器件的高di/dt特性开展了理论与实验研究，分析了器件双极输运行为对脉冲电流上升率di/dt和脉冲峰值电流Ipeak的影响，阐明了器件导通机制与器件di/dt特性的内在关系，为器件设计与制造提供了指导思想。通过对器件三重扩散工艺和新型结构设计等关键技术的集成创新，提供了一种高di/dt器件设计与研制的方法与技术，获得了正向耐压大于1600V、最大连续工作电流大于67A、电流变化率di/dt大于100kA/μs、脉冲峰值电流大于7000A的压控半导体高功率开关器件，为脉冲功率系统固态化、模块化、小型化的发展奠定理论和技术基础。所获的的主要成果如下：.1.高脉冲器件瞬态电流模型。基于等离子体双极输运机理，分析了高功率半导体高脉冲条件下双极载流子输运行为，国际上首次建立了高脉冲器件瞬态电流模型，揭示了高脉冲di/dt下双极载流子输运机理，在模型指导下分析了器件阳极结构、栅极结构、沟道结构和掺杂分布、沟道比例以及沟道电阻等对双极载流子输运的影响，阐明了器件导通机制和结构参数对di/dt特性的影响，为固态高脉冲开关器件设计提供理论基础和设计规范。.2. dV/dt理论模型与DVLD三重扩散技术。针对常规压控半导体高功率开关器件抗dV/dt能力低，易导致误触发的问题，建立了器件dV/dt理论模型，分析了压控半导体高功率开关器件抗高dV/dt能力与器件正向导通和阻断能力之间的折中关系，基于此模型，提出了一种双横向变掺杂技术（DVLD），在不牺牲器件正向导通和阻断能力的情况下使器件获得了抗高dV/dt能力.3. 新型MOS栅控PNPN二极管（MGTT）新结构。针对MOS控制晶闸管器件制造工艺极其复杂、成本高，而且在阻断截止时需要额外的栅极负压来维持其阻断状态等问题，提出了一种与常规IGBT工艺兼容的新型器件结构。该器件工艺简单，易于大规模制造；为常关型器件，可大大提高脉冲功率系统可靠性；具极强脉冲能力，实验结果表明所研制的新器件峰值电流大于7000A，电流上升率di/dt大于100 kA/μs。所提出的MGTT是一种极有前途的功率脉冲固态开关器件。