载流子存储增强型超结IGBT的优化设计及开关可靠性机理研究

The superjunction IGBT is a new technology development direction in the field of power semiconductor devices. A novel carrier-storage enhanced superjunction IGBT (CSE-SJ-IGBT) is proposed in this project. The CSE-SJ-IGBT is able to obtain ultralow on-state voltage drop VCE(sat) and turn-off loss Eoff, which shows a significant advantage over other IGBTs. Considering both manufacturability and switching reliability, several structures of the CSE-SJ-IGBT are proposed in this project, where the optimum design theory and method for the trade-off relationship between VCE(sat) and Eoff of the CSE-SJ-IGBT will be given out, and the comparative study on the difference and its reasons of the dV/dt controllability during the turn-on transient and the dynamic avalanche breakdown as well as the current crowding phenomenon during the turn-off transient of these CSE-SJ-IGBTs and the floating p-pillar superjunction IGBT (PF-SJ-IGBT) will be carried out. The study of this project will have great significance to the technological development of the superjunction IGBT.

超结IGBT是功率半导体器件领域中的一个新的技术发展方向。本项目提出了一种新型载流子存储增强型超结IGBT（Carrier-Storage Enhanced Superjunction IGBT，CSE-SJ-IGBT）。CSE-SJ-IGBT能获得极低的导通电压VCE(sat)和关断损耗Eoff，与其它IGBT相比优势明显。考虑到可制造性和开关可靠性，本项目提出了几种CSE-SJ-IGBT结构。本项目将给出CSE-SJ-IGBT的VCE(sat)与Eoff折衷关系的优化设计理论及方法，还将对比研究几种CSE-SJ-IGBT与p-pillar区浮空的超结IGBT（Floating P-pillar SJ-IGBT，FP-SJ-IGBT）在开启过程中对dV/dt的控制能力以及在关断过程中动态雪崩击穿和电流集中现象的差异及其原因。本项目的研究对超结IGBT的技术发展具有重要意义。

载流子存储增强型超结IGBT不仅开关速度快而且导通压降低，其功耗性能相比于现有商用IGBT有显著提升。本项目开展了载流子存储增强型超结IGBT的耐压层优化设计、顶部结构优化设计和开关可靠性的研究。此外，本项目还开展了适用于超结IGBT的新型逆导结构、新型反向阻断结构、新型超结耐压层以及改善反向恢复特性的新结构的研究。本项目共发表8篇SCI期刊论文，3篇国际会议论文，申请发明专利12项，其中授权4项。重要结论如下。第一，最优的超结耐压层设计是在电压上升到最大值的时刻满足n-drift区恰好完全耗尽。第二，最优的顶部结构设计是控制栅位于n-pillar/p-pillar交界处且p-pillar上要有连接Emitter的槽栅，而超结IGBT器件及其内部元胞的开关速度一致性对安全开关有重要影响。第三，提出了浮空p柱加p-ring的超结IGBT以及采用高阻p-top区的超结IGBT，这两种新结构可降低工艺难度并具备低功耗。第四，提出了多种新型逆导结构，可在小元胞尺寸下消除折回现象。第五，提出了新型反向阻断结构，可使相同关断功耗下的导通压降降低约1.1 V。第六，提出了n-Si/p-3C-SiC超结耐压层，该结构可抑制电荷非平衡对耐压的影响，使超结二极管的反向恢复电荷降低39%和抑制电震荡，并可增强超结IGBT的载流子存储效应。第七，提出了多种改善超结二极管反向恢复特性的新结构，可使反向恢复电荷降低44%到64%，并显著抑制电震荡。项目的研究成果能为超结IGBT技术的发展提供重要的研究基础和新思路。