半超结场终止型IGBT的静态动态解析模型及优化方法的研究

This project aims to establish the analytical model for the static and dynamic characteristics of the semisuperjunction (SemiSJ) IGBT, which is based on the published literature. The tradeoff between turn-off energy (Eoff) and on-state voltage (Von) and the theoretical silicon limit of the SemiSJ IGBT will also be proposed. The influence of temperature on the static and dynamic charateristics is also researched. These theoretical investigation will be utilized to perform the optimization for the SemiSJ IGBT. A 1200 V SemiSJ IGBT will be fabricated to verify the analytical models and optimization method.

本项目将基于国际上现有的关于半超结IGBT的研究，建立半超结IGBT的静态、动态特性的解析模型，进一步建立关断损耗Eoff与导通压降Von之间的折衷关系，揭示半超结IGBT的硅极限问题，并研究温度对静动态特性的影响。这些理论研究将为器件的优化设计提供指导，并在此基础上研制一种1200 V级的半超结IGBT样品，来验证所提出的解析模型及优化设计方法的准确性。

在基金委的资助下，本项目研究了半超结场终止型IGBT的静态动态解析模型及优化方法，采用了合理假设及仿真验证，建立了关态击穿电压、通态击穿电压及导通压降的模型。在此基础上设计并提出了几种新型的器件结构。具体研究成果如下：（1）结合超结MOSFET及半超结MOSFET的二维电场分布、导通电阻与击穿电压折衷关系的优化设计的理论研究，确定半超结FS IGBT在不同反向电压下的发射结注射效率及直流放大系数，利用碰撞电离率积分模型及Miller公式求解半超结FS IGBT的关态击穿电压，同时研究了电荷非平衡对关态击穿电压的影响。在理论的指导下提出了一种具有双高介电材料柱的终端结构。（2）对正向导通时的单极输运机理和双极输运机理进行研究，通过求解连续性方程得到漂移区的载流子分布，从而建立载流子浓度、电流密度、电场之间的关系，确定低压小电流条件下的导通压降。基于上述理论，项目组提出了四种改善关断损耗与导通压降折中关系的结构。（3）进一步通过双极输运理论及碰撞电离率积分模型，研究半超结FS IGBT在高压大电流条件下的通态击穿电压模型。基于上述理论，项目组一种具有浮空N基区的新型超结IGBT。(4) 研究了IGBT中电压变化率和电流变化率的影响因素，对器件的开关损耗及电压电流变化率进行优化设计。项目组提出了一种新型的FD-IGBT。综上可知，申请人成功完成了主要的研究任务，取得了丰硕的研究成果。在基金委的资助下，发表SCI论文10篇，其中1篇发表在应用物理顶级期刊Applied Physics Letters，且入选为当期的Editor’s Pick；7篇发表在本领域国际顶级期刊IEEE trans. Electron Devices及IEEE Electronics Device Letters。在标注方面，第1标注SCI期刊论文6篇，第2标注SCI期刊论文4篇，且均发表在中科院JCR3区以上期刊。发表国内一级学报期刊论文1篇，申请中国发明专利1项。在基金委的资助下，项目成员共有2位已获得博士学位，其中1位荣获教育部“博士生国家奖学金”；2位已获得硕士学位。