利用双极载流子的大功率器件中电特性及可靠性的研究及其原创性改进

The novel high power devices are to be studied. Such devices employ two external controlled current sources to control the hole current and the electron current in the voltage-sustaining region in the on-state. Therefore, the total current between the anode and cathode tends to saturate, which can avoid the current crowding effect in local region and enhance the reliability of the device. A method to integrate the two external controlled current sources into the device and a method to realize the fast switching are also researched. The novel high power devices have higher blocking voltage, lower conduction loss and fast switching speed than other high power devices. Besides, the novel high power devices can be mass-produced by using the conventional technology. We forecast the novel high power device will become the next generation high power device and open up a new research field in power electronics. In the preparatory work, it has been verified that the the realization of this device is feasible. This program is supported by a series of granted and applied patents and will also encourage other patents and papers.

研究创新型功率器件，它是用两个外部可控的电流源控制晶闸管耐压区在导通时的电子电流与空穴电流，从而使其阳极与阴极之间在高电压下总电流呈现趋于饱和的特性。因此可避免个别区域的电流集中效应而提高晶闸管的可靠性。还研究两个"外部"可控的电流源在器件内部的实现方法以及加快由导通到关断过程及由关断到导通过程的方法。该种创新型功率器件比现有其它功率器件具有更高的阻断电压以及更低的导通损耗，以及更快的开关速度，且利用中国现有的常规工艺可以低成本实现量产。我们估计这将成为新一代功率器件，并为电力电子学开辟一个新的研究领域。在申请的前期工作已经证明此器件实现的可能性极大。本项目有一系列批准了的发明专利及正在申请中的发明专利支持，并将引出其它的发明专利及论文。

目前我国是世界上最大的功率半导体器件消费国。就其中的IGBT而言， 2015年国内IGBT市场规模达94.8亿元，2016年达到105.4亿元，并继续保持强劲增长势头。但我国的高端的功率芯片则几乎全部依赖进口，这势必影响国民经济的安全和可持续发展。因此，研究IGBT等高端功率芯片具有重大的战略意义。. 自项目立项以来，负责人一直带领团队攻关研究高速IGBT的难点，解决关键问题，按照计划，力争完成各项任务目标。目前，已自主开发了新型高速IGBT的制作工艺流程，在国内0.6 um-CMOS/BiCMOS线上完成了第一次流片，并对样品进行了封装及测试。通过这次实验，项目组不仅取得了大量宝贵的工艺和实验数据和分析结果，还初步解决了背面双电极制作的难题，样品的封装测试结果表明，高速IGBT与普通IGBT相比，关断时间大幅减少，关断速度大大提高，这为后期改进和应用型实验夯实了基础。. 在第一次流片封装测试基础上，项目组完成了第二次流片的工艺开发、器件设计和流片生产，使其能降低成本、更适合于工业化生产；同时完成了高速IGBT中低压控制电路的设计、流片和封装测试。. 在控制两种载流子的晶闸管(BCCT)的研究方面，该新型器件结构上具有很强的原始创新性，需要进行深入细致的结构机理的研究、器件性能的优化设计及配套的工艺开发研究。. 目前已对该结构进行了卓有成效的深入探究，针对该项目计划书所提出的结构，项目组进行深入的理论分析，解决了其中存在的两个重要问题，并在此基础上提出了两种改进的结构，缓解了耐压区中载流子分布不均匀的问题。项目组进一步对本项目所提出的利用两种载流子相互补偿实现耐高压的创新思想进行了理论分析、计算，实现了电场均匀分布的理论预期结果。. 通过可控的阳极注射效率结构有效地缓解通态击穿电压与导通压降间的矛盾。为了进一步减小该新型器件的导通压降，项目组提出了无nMOS的优化结构，通过控制阳极空穴的注入效率和阴极电子的注入效率，可进一步地降低压降，以及针对如何控制阳极和阴极的注入效率进行了深入研究。