感性负载下MOS栅功率器件的动态雪崩失效机理及可靠性研究

In this project, the dynamic avalanche failure mechanism of MOS controlled power device under inductance load is studied. And the related key optimized design technology is presented. The transient process of two kinds of core power semiconductor devices (power MOSFET and IGBT) during dynamic avalanche is compared. The real time of infrared thermal imaging system is designed to analysis the imbalance of the temperature at power device surface. The data is verified by 2D electric-thermal mixed simulation and 3D simulation technology. Then, the failure physical mechanism of MOS controlled power device during dynamic avalanche is presented. The common reliability issues and optimized skills are analyzed by the same structure characterastics. The different influence on the device reliability during dynamic avalanche is compared by analyzing the device’s structure difference. And the optimized design skills are given by difference structure characteristic. The failure mechanism is analyzed by experiment data and simulation results. The key point which influenced the device ability is studied form cell structure, vertical structure, inner current carrier distributing and terminal structure. Through comparative study, it can help us to understand the inner physical mechanism deeply. It is the fundamental research work which will help to enhance the reliability level of the domestic power device under inductance load.

研究MOS栅结构功率器件感性负载条件下动态雪崩的失效机理及关键加固优化设计技术，对主流的两种MOS栅功率器件（功率MOSFET、IGBT）的动态雪崩瞬态变化过程进行对比分析，构建功率器件红外热成像实时监控系统平台研究器件的温度不均匀分布特性，使用二维电热混合模拟及三维仿真手段进行模型验证。掌握两类MOS栅结构功率器件发生动态雪崩失效的物理机理，从结构相似性特点分析两种器件的可靠性共性问题及优化策略，从对比的角度来分析结构差异对动态雪崩可靠性的差别化影响，并给出差异化的设计优化方案。研究工作采用实验数据分析和模拟仿真拟合结合，从器件元胞结构、纵向结构、内部载流子分布、终端结构设计等方向分析失效机理，研究影响器件性能优化的关键点。通过对比研究，能够更加深刻的理解器件内部物理机理，对于提升国产功率器件在感性负载条件下工作的可靠性具有重要的意义和实用价值。

项目围绕感性负载MOS栅控功率器件动态雪崩行为及可靠性相关问题开展研究，该方向是增强功率器件可靠性能力需重点关注领域，研究通过分析内部物理行为来深入理解失效机理，从而给出指导性优化方案。针对几种主流MOS栅控器件，包括槽栅型功率MOSFET、平面型功率MOSFET及IGBT结构开展深入研究。.通常功率器件处在苛刻的偏置条件时，容易引起动态雪崩现象，同时结构内部电场、载流子、结温发生突变及局部不均匀分布，导致器件失效。为了深入理解器件发生动态雪崩的瞬态过程，首先构建了二维（2D）、三维（3D）器件模拟仿真平台。并进一步构建了IGBT感性负载关断环境，功率MOSFET在重粒子作用下的瞬态环境。实现对处于极端环境下的器件内部物理变化的准确描述及分析。.研究分析功率MOSFET器件在重粒子环境下的动态雪崩行为，基于对槽栅型和平面型功率MOSFET各自圆胞结构特点的研究，寻找关键影响因素，分别创新性提出新型局部裂栅展宽型MOSFET结构和新型源极扩展平面型功率MOSFET结构。所提出的器件结构在电学参数增强的同时，抑制了动态雪崩行为，在苛刻空间辐射环境下的可靠性能力大幅度增强，是高性能功率MOSFET可以借鉴的新型结构设计思路。相关研究结果在国际顶级学术会议收录。.同时，基于目前主流IGBT器件趋向小尺寸化设计趋势，研究围绕该方向开展工作，细致分析了小尺寸结构IGBT器件在感性负载下的关断特性，并通过器件结构分析，创新性提出一种超结型极小尺寸IGBT结构，该新型结构的静态、动态参数接近IGBT器件理论极限，同时感性负载关断特性，短路特性没有发生退化，是目前已知研究结果中综合参数特性最佳的器件结构之一。是一种今后IGBT极具性能优势和应用前景的新型设计结构。.研究工作通过对不同结构MOS栅控功率器件的深入研究分析，从器件在极端条件下发生动态雪崩现象，内部物理行为变化为研究切入点，系统全面了解器件失效物理机理及结构敏感点，从而针对性提出优化解决方案，为高性能器件优化关键技术提供可借鉴的设计理念。