（微电子学与固体电子学专业论文）新结构低功耗igbt纵向结构的仿真研究.pdf

摘要 本文对新结构低功耗i g b t l p l i g b t 纵向结构的仿真优化做了详尽论 述。与现有i g b t 相比较，l p l i g b t 在结构上保留了n p t _ i g b t 中的透明发射 区和高载流子寿命的本质优点，同时又具有p t - i g b t 中“n + 复合薄耐压层的优 点；在器件性能上，l p l i g b t 不仅具有比n p t _ i g b t 更低的能量损耗( 包括通 态损耗和开关损耗) ，而且其余性能如器件耐压、电流密度、安全工作区以及制 造成本等相对现有n p t - i g b t 均有明显改善。初步的器件仿真以及两轮样管制作 均证实了l p l i g b t 性能的优越性。新结构低功耗l p l i g b t 将i g b t 的性能推 向了一个新的水平，应用前景十分广阔，本研究在上述器件结构基础上通过进一 步的仿真最终确定了器件完整的最优化纵向结构以及与之相对应的制作工艺，根 据我们提出的制作工艺制得的i g b t 具有最优的性能。根据器件物理及i g b t 的 工作机理我们建立了相应的模型，并对仿真结果进行了合理的解释。本研究在国 际上首次对i g b t 完整的纵向结构进行了仿真优化，研究中涉及到的器件模型、 建模方法、最优器件结构以及制作工艺的确定均可推广到其它类型i g b t 及开关 器件的优化设计及性能分析中，因而具有重要的实际意义。 关键词：l p l i g b t 纵向结构n 。n + 耐压层背发射区 j 5 塞三些查主鎏圭主焦笙苎 a b s t r a c t t h ev e r t i c a ls t 九j c t i l r eo p t i m i z a t i o nt h r o u g hs i m u l a t i o no ft h ei l e ws t m c t u r e ，l o w l o s si g b t ( l p l i c m t ) h a sb e e nd i s c u s s e dmd e t a i l i nt 1 1 i sp a p e fi nc o m p a r i s o nw i t h t h ep r e v a l e n ti g b t ，l p l i g b th a 8n o to n l yt h em e r i to ft r a i l s p a r e n tb a c ke m i t t e ra n d h i g hl 融i m eo fc a r r i e r so w n e d b yn p t i g b t b u ta l s o 也ec o m p l e xn - ，n + v o l t a g e s u s t a i n l a y e r 8 t r u 吐u r eo w n e db yp i g b t n o to n l yp o s s e s s e sl p l i g b tl o w e r p o w e rl o s sb u ta l s ot h eo t h e rc 印a c i t i e sa r en ob e t t e rt h a l ln p t i g b ts u c ha sb r e a k d o w nv o l t a g e ，c u r r e n t c a p a c i t i e s ，s a f eo p e r a t i o n a r e aa n dc o s ts i m u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t sh a dp r o v e dt h eb e 位e rp e r f o f m a n c eo fl p l i g b t h en e ws t m c t u r e i g b tb o o s t st h ep e r f o r 毗n c eo fi g b tt oan e wl e v e la n dh a sab r i g h tm t u r et h e r e s e a r c hg e t st h ew h o l eo p n m a lv e n i c a ls t n l c t u r ea n dt i l ec o r r e s p o n d i n gt e c h n 0 1 0 9 y b a s e do nl p l i g b tt h ei g b tm a d eb yc o r r e s p o n d 岫t e c h n o l o g yh a st h eb e s t p e r f o r m a n c ew e e s t a b l i s h e dt h em o d e l sa 1 1 dg a v er a t i o n “e x p l a n a t i o nb a s e do nt h e d e v i c ep h y s i c sa n dt h em e c h a n i s mo fi g b t t h i si st h em s tt i n l ei nt h ew o r l dt o o p t 岫i z et h e 刚i g b t v e r t i c a ls t n l c t u r e t h ed e v i c em o d e l s ，e s t a b l i s h i n gm e t h o do f m o d e l ， t h es e l e c t i o nm e t h o do fb e s ts t n l c t u r ea n d t e c h n o l o g y c a nb eu s e d b y o p t i m i z a t i o no fo t l l e fi g b ta n df e j e v a n td e 以c e s ，w h i c hh a v e 油p o r t a n ta p p c a t j o n v a 】u e k e y w b r d s ：l p l i g bt ，v e n i c a is t m g m r e ，n _ n + v o l t a g es u s t a i ni a y e r ，b a c ke m i t t e r 第1 章绪论 1 1 引言 1 9 4 7 年，第一只晶体管的诞生，为电子电路的集成化和数字化奠定了重要 的物理基础。晶体管的发明是电子技术史中具有划时代意义的伟大事件，亦开创 了电子技术发展的一个崭新的时代固体电子技术时代。在随后的一段时间 里，随着工业的飞速发展，特别是自动化技术的不断进步，人们对器件耐压以及 电流容量提出了越来越高的要求，势必要求人们对半导体材料性质及器件物理作 进一步深入的研究，并进一步催生了新型大功率器件的出现。1 9 5 7 年第一只晶 闸管的问世标志着电力电子技术的诞生。事实上，电力电子技术早在2 0 世纪初 就已出现，但当时很杂乱，不能称为真正的学科f l j o 上世纪5 0 年代后期到6 0 年 代，电力电子技术才真正成为一门学科，其催化剂正是晶体管的发明以及大功率 晶闸管和g t o ( 门极可关断晶体管) 的出现。 晶闸管诞生以后，电子技术开始向两个不同的方向发展：一是以晶体管集成 电路为核心的微电子技术，其发展方向为愈来愈高的集成度、越来越小的器件、 越来越快的速度、越来越大的规模、越来越全的功能、越来越高的可靠性以及越 来越低的成本，这一方向以微处理器( m i c m p r o c e s s o r ) 为代表；另一个发展方 向则是以晶闸管为核心的电力电子技术，其发展方向为越来越高的耐压及电流容 量、越来越快的开关速度、越来越高的可靠性以及越来越低的成本。前者以能够 快速处理大批量数据为主要特征，而后者则主要应用于电力的传输、变换及配送， 机车牵引、智能控制及工业节能等方面。2 0 世纪7 0 年代，随着微电子技术的飞 速发展，人类逐渐领悟到：功率器件就像人的肌肉，微处理器则是大脑。当“肌 肉”与“大脑”有机地结合，就产生了自动化工业的革命。 电力电子技术的发展和进步是与功率半导体器件的更新换代分不开的。从历 史上看，每一代新型电力电子器件的出现，总会带来一场电力电子技术的革命。 以功率器件为核心的现代电力电子装置，在整台装置中通常不超过总价值的 2 0 3 0 ，但是，它对提高装置的各项技术指标和技术性能，却起着十分重要 北京工业大学硕士学位论文 的作用。电力电子器件不仅已成功应用于电力拖动、变频调速、大功率换流等方 面，功率半导体器件的快速发展也引起了电力系统的重大变革，通常称为硅片引 起的第二次革命。 自从上世纪5 0 年代硅晶闸管问世以后，诸多研究工作者为研制高性能功率 器件做出了不懈的努力，并已取得了令世人瞩目的成就。6 0 年代，晶闸管的电 压电流容量不断提高，由普通晶闸管很快就衍生出了快速晶闸管、逆导晶闸管 ( r c t ) 、双向晶闸管( t r j a c ) 以及不对称晶闸管( a s c r ) 等，形成一个s c r 家族。6 0 年代后期，可关断晶闸管g t o 实现了门极可关断功能，并使斩波工作 频率扩展到l k h z 以上。7 0 年代初期出现了大功率晶体管，7 0 年代末又出现了功 率场效应晶体管( p o w e r m o s f e t ) ，功率器件实现了栅控功能，打开了高频应 用的大门。8 0 年代，绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 问世，它综合了功率m o s f e t 和双极型功率晶体管的优点。在通态压降和开关时间这两个衡量功率半导体器 件性能的重要参数方面有了明显的改善。i g b t 的迅速发展，进一步激励了人们 对综合功率m o s f e t 和晶闸管两者功能的新型功率器件m o s f e t 栅控晶闸 管的研究。8 0 年代末期和9 0 年代初期发展起来的、以功率m o s f e t 和1 g b t 为 代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件标志着电力电子技 术已经进入了现代电力电子时代。当前功率器件研究工作的重点主要集中在研究 现有功率器件的性能改进、m 0 s 栅控晶闸管以及采用新型半导体材料制造新型 的功率器件等方面。最近几年，集i g b t 与g t o 二者优势于一身的g t 及i g c t ， 其发展态势看好。 尽管功率半导体器件的工作频率不断提高，工作安全区不断扩展，功率容量 不断增大，但最早出现的功率器件并没有因为自身存在的不足而完全被淘汰，因 为这些老的功率器件对工艺的要求并不严格，器件结构也十分简单，而且可以在 很大范围内调节功率容量以满足实际需要，因此许多器件仍在应用中，如现在的 可控整流器( s c 砧可以做到数千安培的电流容量，但开关速度较低，所以可以用 于对电压及电流要求很高，而工作频率较低的地方。新型的电力电子器件尽管工 作频率很高，但其电流电压容量以及频率的可调范围较小，从而限制了其应用。 为了有更清楚的了解，将不同功率器件的对比示于图1 一l 中。 l o1 0 0l k1 0 k 1 0 0 k 工作频宰m z ) 图1 1不同功率器件功率容量、工作频率及应用范围的对比 f i g 1 - l c 伽p a r i s o no f p o w e rc a p a c i d e s ，印训o n 舶q i l c i e s d a p p l i c a t i o n so fd j 赶白枷p o w e r d e v i c e s 放 总之，从5 0 年代第一只晶闸管的出现到快速晶闸管，再到可关断晶闸管； 从大功率晶体管到功率m o s f e t ，再到后来的i g b t ，以及近年来出现的新型电 力电子器件g t 、i g c t ，电力电子器件经历了从半控到全控、从电流控制型到 电压控制型、从单个元件到模块化再到智能化的发展历程。进入9 0 年代后，功 率半导体器件正朝着智能化、复合化、模块化以及功率集成的方向发展【2 j 。在诸 多半导体器件中，i g b t 集双极型器件通态压降小、电流密度大和功率m 0 s f e t 驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身，因此备受人 们青睐。它的研制成功为提高电力电子装置的性能，特别是为逆变器的小型化、 高效化、低噪声化提供了有利保障【3 】。 1 2 本研究的主要内容及意义 绝缘栅晶体管( i n s u l a t e dg a t eb i p o l 盯t r a n s i s t o r i g b t ) 结会了功率m 0 s f e t ( m e t a l o x i d e s e n l i c o n d u c t o rf i e l de 疏c tt r a n 8 i s t o r ) 开关速度快( 可达加) 、电 压驱动等优点和功率双极晶体管( b i p o kj u n c t i o nt r a n s i s t o r b j t ) 通态压降低、 北京工业大学硕士学位论文 电流密度高、适合在大电流下工作的优点，同时克服了功率m o s f e t 导通电阻 随器件耐压的提高而急剧增大的缺点，以及b j t 开关速度慢、电流驱动导通、容 易发生二次击穿、安全工作区窄等缺点。但是现有i g b t 的开关损耗还是不够小， 通态压降也较高，因而作为评价功率开关器件的重要指标器件的开关优值 ( 通常表示为通态压降与关断损耗的乘积) 较高，如何进一步降低i g b t 的器件 优值以得到性能最优的i g b t 一直是国际上电力电子器件领域的一个研究热点。 1 9 8 2 年i g b t 最初被提出时是穿通型( p u n c h t l l r o u 譬hi g b t p t _ i g b t ) 的鸭 它是在很厚的高浓度的p + 衬底上依次外延n + 、n 层，然后在n 层上制造m o s f e t 的正面结构而做成的。由于存在n + 缓冲层，利用较薄的r f 基区即可得到较高的击 穿电压，有利于降低导通电阻，从而降低了静态功耗，但是由于p + 衬底很厚，浓 度很高，使得背发射结的注入效率很高，关断时电子不能从背发射区流出，只能 靠在基区的复合消失，从而导致了p t _ i g b t 很长的关断时间，进而增大了开关 损耗。而且在制造高压i g b t 时，由于所需外延层厚度的增加，使得制造成本大 大增加。就是在这种情况下，非穿通型i g b t ( n o n p u n c h t l l r o u 曲i g b t 一 t _ i g b t ) 应运而生了，它是在单晶n 衬底上制造的，因制造过程中不使用外 延技术而降低了生产成本。通过离子注入形成的薄且轻掺杂的背p 斗层( 通常称之 为透明发射区) 降低了背发射区注入效率，使得在关断时电子可以很容易地从背 发射区流出，缩短了开关时间。但是由于没有了n + 层，为了保证耐压必须采用相 对较宽的n 基区，从而导致了导通电阻的增大，增加了静态损耗。 2 0 0 0 年有人提出了场中止i g b t ( f i e l ds t o pi g b t f s i g b t ) i s l ，f s i g b t 用离子注入的方法在硅片背面先制造一个r ，缓冲层，再注硼形成背d + 区，由于 n + 缓冲层的存在，使得n 基区可以作的较薄。但是f s i g b t 的n + 缓冲层是在正 面m o s f e t 结构都制作完毕以后注入形成的，因而不可能进行高温长时间的退 火，因此n + 缓冲层的厚度和杂质的激活浓度都是很有限的，用如此薄的缓冲层作 高压器件的强电场中止层在物理上很不可靠，容易失效。正如文章作者自己所指 出，f s i g b t 的击穿电压和漏电流都不易保证，所以在实际生产方面并没有太大 的意义。 本项研究的目标是通过仿真设计出当今世界上性能最优的i g b t 。要对i g b t 进行优化设计首先要选择i g b t 的基本结构：是平面栅i g b t 、还是沟槽栅i g b t ? 如果是常见的平面栅i g b t ，应该选用哪种器件结构才有可能得到最好的器件性 能呢? 根据现有的制作工艺，我们选用平面栅i g b t ，确切地说我们选用我们近 来提出的新结构低功耗l p l i g b t ( l o w p o w e 卜l o s s i g b t ) 作为我们优化设计 的基础。我们提出的l p l i g b t 用三重扩散的方法引入了n + 缓冲层，具有和 n p t i g b t 类似的透明发射区，且保留了高载流子寿命的优点，同时又具有 p t _ i g b t 中n n + 双层复合耐压层( 即薄基区) 的优点。l p l i g b t 从耐压层结构 上看是p t i g b t ，但从性能上讲，它将保持着n p t _ i g b t 的优点( 圪。正温度系数， 大的安全工作区，高的抗电流、电压冲击能力等) ，只是圪。和鼬更低而己，这 正是我们称之为l p l i g b t 的主要原因。l p l i g b t 与f s i g b t 在原理上相同， 但它的i l + 缓冲层是在制造正面m o s f e t 结构前通过高温长时间扩散的方法形成 的，厚度为几十微米，而且缓冲层的厚度及浓度可以随工艺的变化而在很大范围 内发生变化，故而不存在击穿电压和漏电流不易保证的问题，因此可以在实际生 产中广泛应用。我们首先用m e d i c i 仿真软件对l p l i g b t 性能的优越性进行了 仿真验证，然后我们进行了两轮l p l i g b t 的样管制作，实验结果证实l p l i g b t 的器件开关优值确实比n p t _ i g b t 有较大的改善。l p l i g b t 的提出为最优性能 i g b t 的优化设计提供了可能性。但由于时间关系和便于比较，初期仿真及样管 制作时采用的结构参数多是根据解剖同样规格的国外芯片而定，显然，这样得到 的器件结构并不一定是最优的。本论文的主要内容就是如何在已有仿真及实验结 果基础上对器件结构进行进一步优化仿真，以得到具有最优性能的l p l i g b t 。 更详细地说，本研究的目的就是要对l p l i g b t 的纵向结构通过仿真进行优化设 计，从而设计出一种i g b t 的最优纵向结构囟括n 、n + 缓冲层及背面口+ 层的 优化设计。 目前，国际上的许多大公司都有成熟的i g b t 产品，而国内还不掌握i g b t 的关键技术，还没有一个厂家能够批量生产i g b t ，几乎所有的i g b t 产品都需 要进口，没有国内产品的竞争使得在中国市场上i g b t 的价格非常之高。因此对 i g b t 的工作原理、设计方法以及工艺细节进行认真的研究是非常必要的。本文 北京工业大学硕士学位论文 以1 7 0 0 v 耐压的l p l i g b t 为例，对器件纵向结构进行了大量的仿真，进而确定 出一种最优的制作工艺，其方法亦可推广到其它规格的器件，仿真结果表明：与 未优化的器件相比，优化了的l p l i g b t 不仅具有更小的通态压降和更低的关断 损耗，而且有更低的生产成本。这对填补国内空白，实现i g b t 的产业化以及赶 超国际先进水平具有重要的现实意义。 本研究的创新之处： ( 1 ) 国际上首次用单晶n - 扩散n + 双层复合的耐压层制造i g b t ，可使通态 损耗和开关损耗降低到一个新的水平，并成功制作了l p l i g b t 样管。 ( 2 ) 在国际上首次通过仿真得到了l p l i g b t 完整的最优纵向结构，为 l p l i g b t 的批量生产奠定了理论基础。 ( 3 ) 本研究中涉及的许多模型及研究方法均具有普遍意义，可应用于类似器 件的仿真优化及特性分析中。 1 3 本章小结 本章介绍了电力电子器件的发展简史，指出了i g b t 依靠它优越的性能在电 力电子开关器件大家庭中占有的重要地位。对本研究的研究对象l p l i g b t 作了 简要介绍，并简要概括了本研究的主要内容及意义。 釜：主：旦里：墼堡岜圣翌耋：2 曼：笙塑， 第2 章ig b t 的提出及现有ig b t 结构 2 1i g b t 概念的提出 诞生于5 0 年代末6 0 年代初的电力电子技术从最初的硅整流时代，经历了逆 变器时代，现在已进入到了变频器时代，作为电力电子技术核心的功率器件的发 展促进了电力电子技术在许多新领域的应用。当前，电力电子技术领域中所使用 的电路多工作在几十千赫以上，因此传统的功率开关器件如g t o ，s c r 等的应 用空间已经很小了，发展工作频率为几十千赫甚至更高，具有更小功率损耗的功 率开关器件非常必要。 众所周知，一个理想的功率器件，应具有以下的静态和动态特性：在截止状 态时能承受高的电压；在导通状态时，具有大的电流密度和很低的通态压降；方 便简单的栅极驱动；在开关转换时，具有短的开、关时间，能承受高的幽仂和 巩位，以及具有全控功能；安全工作区大，鲁棒性能好等。 从工作原理上看，传统的功率开关器件可以分为两类：g t o 、功率b j t 等 双极型器件为一类，v d m o s 、功率j e f t 等单极型器件为另一类。 功率b j t 的导通电阻小，正向导通时的通态损耗很小，且适合于工作在大电 流条件下，但功率b j t 有如下缺点：开关速度慢，高频开关损耗大；驱动电路复 杂；电流具有正温度系数特性，易发生二次击穿。由于这些缺点的存在，使得它 不能成为一种理想的高频电力电子器件。与之相对应，v d m o s 具有开关速度高 ( 可达m h z 以上) 、电压驱动、负电流温度系数、不存在二次击穿等优点，但是 它的导通电阻凡。太大，且随着器件耐压的增大而急剧增加，高的导通电阻必然 导致高的通态损耗。因此，v d m o s 器件只适用于低压( 一般为3 0 0 v 以下) 应 用，不适合制作高压器件。 由此可见，如果能发明一种新型功率器件，使之同时具备m o s 开关速度 高、电压驱动、不存在二次击穿和功率b j t 导通电阻小、电流密度高、适合于大 电流工作的优点，那么这种新型功率器件必然会引发新一轮的电力电子技术革 北京工业大学硕士学位论文 命，进一步推动当代电力电子技术以更快的速度向前发展。 1 9 8 2 年，bj b a l i g a 等提出了一种新型功率开关器件i g b t ( i n s u l a t e d g a t e b i p o l a rt r a n s i s t o r i g b t ) ，其基本结构如图2 1 所示【4 l d i g b t 是在) m o s 图2 1i g b t 的结构示意图 f i g 2 1 s 仉l c n l r eo f i g b t 的背面引入了p + 层而得到的，简单地说，它是由一个纵向p n p 管和一个纵向n 沟m o s 并联而成的。在正常工作时，p + 区接正电位，称为i g b t 器件的阳极c ， 同时也是p n p 晶体管的发射极。通过栅介质引出的电极为l g b t 的栅极g 【6 】o 图2 2i g b t 器件的工作原理【6 j f i g 2 - 2o p e r a d o n p 血c i p l e0 f i g b t g 第2 章i g b t 的提出及现有i g b t 结构 i g b t 的基本工作原理如图2 2 所示，当在阳极上相对阴极施以一定的正偏 压，且栅压大于闽值电压( 眩矿0 ，矿) 时，i g b t 的m o s 沟道反型，电子 由n + 源区经沟道注入到基区，在n 外延区中，由于电子的注入，降低了n 区的 电位，从而加速了r 发射区向n 。外延区注入空穴的进程，使器件很快进入正向 导通状态。如图2 3 所示，i g b t 的等效电路可用一个m o s f e t 驱动的宽基区 p n p 晶体管来表示，也就是说，n 沟i g b t 相当于把n 沟增强型m o s f e t 作为 e s h o r t i n g r e s i s t a n c e r i 图2 - 3i g b t 的等效电路f 1 0 l f i g 2 3 e q u i v a l 吼tc i r c 血o f t h ei g b t 输入端，把p n p 晶体管作为输出端的m o s 型输入反向达林顿晶体管【甜。当i g b t 器件不加栅压( 栅源短路) ，而在c 、e 间加负偏压时，m o s f e t 的沟道消失， 以结反偏，只有很小的电流流过以结，i g b t 处于截止状态。在沟道开启并且阳 极加正偏压时，p + 发射区向n 区注入大量空穴，而电子则流经n 型沟道至n 。区， 这样n 区因积累了大量的电子空穴对而产生电导调制效应，从而克服了m 0 s 导通电阻大的缺点。 i g b t 在继承v d m o s 电压驱动、安全工作区宽、开关速度快等优点的同时， 兼备了功率b j t 正向导通压降小、电流密度大的优点，而且由于在宽基区很好地 利用了载流子的电导调制效应，从而克服了v d m 0 s 导通电阻随器件耐压的增加 而增大的致命缺点。虽然相对于v d m 0 s 而言i g b t 的工作频率有所下降，但是 北京工业大学硕士学位论文 它已经适合在几十千赫的频率下工作了。另外，i g b t 的制作工艺是与v d m o s 相兼容的l “，在工艺上没有任何难度，适合于大规模生产。综合上述，可以说i g b t 结合了以往传统功率开关器件各自的优点，较好地实现了开关损耗和通态压降的 折衷，是一个较为理想的功率开关器件，也正是由于i g b t 优良的性能，从8 0 年代末起它就已经成为国际上高频功率开关器件领域的主流器件。 2 2ig b t 的器件特性 2 2 1i g b t 的静态特性 i g b t 承受正反向耐压的能力 如果i g b t 的阳极相对于源极施加负偏压，由于不存在沟道，山结又处于反 偏状态，几乎没有载流子注入到n 。区，i g b t 中只存在反向漏电流，此时i g b t 处于反向偏置状态，i g b t 一般不工作在这种状态下。 若是集电极相对于发射极加正偏压但沟道关断，山结将正偏，以结反偏并且 几乎承受了所有的偏压，耗尽层主要在以结下方的高阻区中扩展( 可达几十至几 百微米) ，只要器件正面m 0 s f e t 结构中各元胞的间距设计合理，各个元胞的以 结下的耗尽层扩展后将相互交连，对以结起到有效的保护作用，使得儿结不会 过早击穿。这时i g b t 处于正向阻断状态。 l g b t 的输出及转移特性 i g b t 的正向输出特性通常表示为阳极电流尼与漏源电压的特性曲线族， 输出特性的形状与双极晶体管相似，但因为i g b t 是电压控制器件，所以其参变 量是栅源电压矿曲，而不是基极电流。与功率b j t 相似，输出曲线也分为饱和区、 线性区、截止区以及击穿区。器件导通时，栅压的高低决定了栅下沟道的开启程 度，从而决定了i g b t 的沟道饱和电流，这和m o s f e t 是一致的。i g b t 的输出 特性如图2 4 所示。 另外，i g b t 的通态压降可以近似为背面p n 结二极管上的压降与m 0 s f e t 沟道压降之和，因而i g b t 的通态压降应不低于一个二极管上的阈值电压。为了 笙：耋! g 呈三塑堡些墨翌查二坚坚垒耋l _ ，。，一 i ， j 厂一5 骶躲悠 厂一 ，一 l lr e v r s ep o r w a r 口 l c h n a l l r 恪t l c 3c h r a c le n f s l i c 书 i “ 图2 4i g b t 的输出特性 f i g 2 - 4o 呻u tc h 盯a c t e 打s t i 0 f i g b t 使i g b t 导通，以结正偏，c 、e 间至少要有o6 v 左右的压降。 2 2 2l g b 丁的动态特性 i g b t 的动态特性主要描述其导通、关断时的瞬态过程，即器件的开关特性。 对于i g b t ，人们最关心的特性之一就是其开关特性，因为开关速度的快慢对器 件的开关损耗有很大的影响，而在高频使用时器件的开关损耗在总功耗中占了绝 大部分。器件的开关过程可分为导通和关断两个分过程，其中又以关断过程尤为 重要，一般来说减小功率开关器件的开关损耗主要就是指减小该器件的关断损 耗，如前所述，i g b t 器件的导通是要受栅压控制的，其关断同样要受栅压控制： 在栅一源之间施以零电压或负电压，或使i g b t 阴阳极短接或反接均可使i g b t 关断。 从器件结构及基本工作原理( 参见图2 2 ) 看，i g b t 器件的电流既含有来 自沟道的m o s 分量，又含有背面p n 结注入的双极分量【6 】。当撤除栅压后，由栅 压所感应的导通沟道立即消失，m o s 分量的电子电流m 迅速减为零，而由于 正向导通时，n 基区存储了大量的少数载流子，它们只能依靠原地复合或者以扩 散电流的方式从两端的电极流出，这部分载流子消失速度的快慢也就决定了 i g b t 关断过程中拖尾时间的长短，它们对i g b t 的开关速度、功率损耗均有显 北京工业大学硕士学位论文 著影响，这同时反映了双极器件的存储效应。由此，可以把i g b t 的关断过程分 为两个阶段，如图2 5 所示：其一，m o s 管导通电流的迅速降低阶段i ，下降 时间为抽；其二，三极管电流缓慢减小到零的阶段，即与基区过剩载流子复合相 关的缓慢下降阶段( 指数下降阶段i i ) ，下降时间为缸【6 1 。不同类型的i g 丑t 在开 ， j c 降嚣 图2 5i g b t 的关断特性曲线6 】 f i g 2 5t u m - o 口c h a r a c t e r i s t i c so f i g b t 关过程中内部载流子的行为也不尽相同。 2 2 3 i g b t 的功率损耗特性 i g b t 器件的功率损耗主要包括静态功耗和动态功耗两部分。其中静态功耗 表示器件处于导通状态时的功耗( 也可称之为通态功耗) ，主要由器件的通态压 降圪一决定；器件的动态功耗，即开关功率损耗，用以表征器件开关过程中所损 耗的能量，则主要由器件开关时间的长短以及开关过程中器件功率的大小所决 定。 第2 章i g b t 的提出及现有i g b t 结构 对i g b t 器件而言，当阳极电流如增大时，其饱和压降y 矗也随之增大。i g b t 饱和压降与电流尼的关系如图2 6 所示。在大电流下，圪。通常表现为正的 丁= 2 5 r ， 兀= 1 2 5 ， ， y 。一1 5 v 一， f j ， 0 ? ， 夕。 y c e c _ ，v 图2 6i g b t 的饱和压降( 6 0 0 v 1 0 0 a ) 旧 f i g 2 - 6s 咖r a 妇v o n a 蛸o f i g b t 温度系数，而在小电流下，圪。为负温度系数。这是因为在低电流区域，( 背 面p n 结压降) 和声( p n p 晶体管共发射极电流放大倍数) 起支配作用，故具有 负的温度系数。而在大电流区域则是风d d ( 外延层电阻) 、r 曲( m o s f e t 沟道 电阻) 起支配作用，器件具有正的温度系数【6 1 。 i g b t 的动态功耗也由两部分构成，即开通功耗和关断功耗。由于i g b t 的 导通时间极短，所以器件的开关功耗主要由关断功耗决定。要计算i g b t 的关断 损耗，必须根据器件关断时的电流电压波形计算出关断功率( p 舀尼) ，再将关 断功率在整个关断时间区间内进行积分，从而得到关断损耗厩帕 为了综合评价开关器件的开关性能，我们引入开关器件的优值的概念以对不 同的开关器件进行对比。从器件结构及工作原理看，要改善器件结构降低通态压 降，则必然会引起关断时间的增加，反之亦然，要想进一步采取措施加快器件的 关断速度，则会导致器件通态压降的增高。通常将通态压降和关断损耗的乘积作 为评价器件开关性能的标准，乘积越小说明器件开关性能越高。有关器件优值的 北京工业大学硕士学位论文 问题，本文在随后章节中还会作进一步详尽的论述，此处不再赘述。 2 3 现有的lg b t 结构 作为一种新型的电力电子器件，i g b t 自其诞生之日起，就由于它具有输入 阻抗高、通态压降低、驱动电路简单、电流处理能力强等诸多优点，深受电路设 计者的欢迎，目前已成为电力电子器件中很有前途的竞争者。它在电机控制、中 频开关电源和逆变器、机器人、空调器以及许多要求快速低功耗的领域有着广泛 的应用。 i g b t 已从最初的p t i g b t 单一结构发展到了现在的n p t _ i g b t 、沟槽栅 i g b t ( t r e n c h i g b t ) f 3 6 ，39 1 、f s i g b t 、背面定域p + 扩散i g b t 、阳极短路i g b t 、 双注入源极i g b t p 0 1 以及双面i g b t f 2 9 】等多种结构。在各种i g b t 中，已批量生产 的主要有传统的p t - i g b t 和n p t - i g b t 以及沟槽i g b t 和f s i g b t 。目前沟槽 i g b t 由于其极低的通态压降而备受研究者的青睐，但由于这种i g b t 的制作工 艺较为复杂，对工艺条件的要求也十分严格，而且该器件在纵向结构上是与前面 提到的最早出现的两种i g b t 相一致的，我们在此不作详细介绍。 尽管i g b t 的结构有多种多样，但从纵向结构来看均可归为穿通型i g b t ( p u n c h t l l r o u g h i g b t _ _ p t - i g b t ) 或非穿通型i g b t ( n o i l p u n c h t l l r o u 曲一 n p 孓i g b t ) 。这两类i g b t 的划分依据为：临界击穿电压下也结耗尽层的扩展是 否穿透了n 基区。基区宽度阱小于耗尽层宽度耽。的为p t 型，雕i = ，+ l 的 为n p t 型【4 】，三为一与耐压层中少数载流子扩散长度相关的量【3 】o 在n p t _ i g b t 中留下一个电中性宽度三是提高输出阻抗、减小反向漏电流和保证耐压所必需 的。两类i g b t 在制造方法、性能特点、应用领域等各方面都有许多差异，已有 诸多文献【3 卜d 5 ，4 ”对二者性能作了论述并比较了他们在器件性能及制作工艺方面 的差异。下面仅对p t - i g b t 和n p t _ i g b t 作简单介绍。 第2 章i g b t 的提出及现有i g b t 结构 2 3 1 穿通型i g b t ( p t l g b t ) i g b t 最早被提出时为穿通型的m 】，其基本结构如图2 7 所示，它是通过 圈2 - 7w g b t 结构示意图 f i g 2 - 7 s 仉l c t i 鹏o f p t - i g b t 在高浓度的厚p + 衬底上依次外延n + n 。层，然后再在n - 层表面制作m o s f e t 的正 面结构制成的。这种制造思路与生长外延片制作v d m o s 的思路一脉相承，因此， i g b t 的制作工艺是与v d m 0 s 的制作工艺相兼容的。不同于v d m o s 的是，i g b t 制作工艺中外延是在p + 而不是在n + 衬底上进行的，p t - i g b t 制作的简易工序示 意图如图2 8 所示。 由于薄硅片工艺的限制，如果厚度太小很容易导致硅片碎裂，故此，p t - i g b t 中p + 背发射区必须足够得厚，以起到支撑作用。与此同时，为了保证器件导通电 口一 n + p 夕 n n p 很厚的高浓度p + 衬底上依次在n _ 层上制作 p + 衬底外延n + ，n 层m o s f e t 结构 图2 8n i g b t 制作流程示意图 f i 皿2 - 8s i m d l ed r o c e s sn o wo fh ：i g b t 北京工业大学硕士学位论文 阻不致太高，必须将背发射区的浓度设得足够高以提高电导率，这就导致了背面 p n 结有极高的注入效率。p t _ i g b t 结构的优点在于：器件导通时，高的发射效 率可使大量空穴迅速地从背面注入到n 基区中，同时电子流经器件表面反型沟道 注入到n 。基区中，这样在基区可形成很好的电导调制，使通态压降很低。但高浓 度厚发射区的存在一方面增大了发射效率，增加了基区存储过剩载流子数目，另 一方面器件关断时，电子无法从背p + 区流出而只能在n 。基区靠自身复合而消失， 从而必然会延缓器件的关断，关断时间的加长导致了器件关断损耗的增加。 为了改善p t - i g b t 的关断速度，通常可以采用离子辐照的方法来减小n 。基 区的载流子寿命，以减小关断时尼的拖尾时间，从而提高开关速度。但往往存 在器件参数漂移、器件特性退化、稳定性差等问题，另外，离子辐射在一定程度 上增加了制造成本。因而，采用离子辐照来提高p t _ i g b t 的开关速度并不是令 人满意的最终解决方案。 目前，尽管外延技术近年来得到了很大的发展，但n p t - i g b t 仍主要应用于 低压器件。也曾有用硅片直接键合1 8 】来替代厚层外延的尝试，但至今也未达到低 成本规模生产的程度。另外，由于p t i g b t 结构本身存在致命的缺点：厚且重 掺杂的背p + 发射区导致其开关时间较长，开关损耗大。尽管采用离子辐照技术可 以改善器件的开关速度，但同时会导致器件关断电流的增大，且会导致器件的不 稳定性。p t - i g b t 并不是理想的开关器件。 2 3 2j e 穿通型i g b t ( n p t l g b t ) 1 9 8 7 年，德国西门子公司推出了一种新型i g b t 结构，由于器件临界击穿电 压下，耗尽层并未穿通n 宽基区，故称之为非穿通型l g b t ( n p t - i g b t ) 。通过 对单晶硅赢接进行离子注入，并合理地控制掺杂浓度，从而可以得到高速、低拖 尾电流、具有正温度系数的高性能开关器件【9 j 。 n p t i g b t 的结构及工艺流程示意图分别如图2 9 、2 一l o 所示。 第2 章i g b t 的提出及现有i g b t 结构 在体单晶正面制作 m o s f e t 结构 从背面减薄到 耐压所需厚度 硼 背面注硼形成 低掺杂浅，区 图2 1 0n n i g b t 制作流程示意图 f i g 2 一1 0s i m p l ep r o c e g sn o wo f n 兀二i g b t 与p t i g b t 相比，n p t i g b t 的背p + 发射区极薄且掺杂浓度相对较低，所以 n p t - i g b t 背发射区注入效率比p t - l g b t 低得多。在n p t i g b t 中：因为背发射 极电流中的电子流成分很大，器件关断时，基区存储的大量电子可以通过流向背 发射区而很快清除掉，空穴可以迅速地流向p 阱，所以开关时间短，拖尾电流小， 开关损耗小。虽然n p t i g b t 背发射极注入效率较低且基区较宽。但由于基区 少子寿命很长，使得基区载流子电导调制效应更加显著，n p t 型i g b t 的饱和压 降并不比p t 型高。另外n p t 型i g b t 有一个突出的优点就是器件关断时拖尾电 流随温度变化很小，器件的可靠性很高。 北京工业大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章对i g b t 的基本结构及工作原理做了简要介绍，并对器件特性进行了较 为详尽的论述。尽管目前i g b t 的种类很多，但批量生产的多为传统的n p t _ i g b t 和p t - i g b t 、沟槽栅i g b t 以及f s i g b t ，从纵向结构看，所有i g b t 均可归为 p t _ i g b t 和n p t i g b t 两大类，本章对两类基本i g b t ( p t - i g b t 和p t _ i g b t ) 的结构和工艺进行了概述并对其优缺点进行了简单比较。 茎：兰堑笙垫堡圣蜜鹜呈辇当呈耋呈垦呈! ! ! ：! ：! 竺一 第3 章新结构低功耗i g b t ( l p l ig b t ) 3 1n p t i g b t 幂p t i g b t 的比车交 3 1 1n p t i g b t 和p 卜l g b t 制作工艺的差异 如前所述，i g b t 最初提出时为穿通型结构，但由于制作高压器件时， p t i g b t 的制作成本太高，而且这种i g b t 由于厚且高掺杂的背发射区的存在而 导致在器件性能上存在致命的缺点。n p t - i g b t 就是在这种情况下应运而生的。 n p t - i g b t 和p t i g b t 在制作工艺上主要有以下几点不同： 1 ) n p t - i g b t 是在单晶上直接制作的，无需高成本的外延工艺。 2 ) n p t - i g b t 的背发射区是透明发射区，厚度很薄，浓度也不算太高。 3 ) 为了提高器件的开关速度，p t _ i g b t 通常要进行高能粒子辐照，基区中 过剩载流子的寿命比m t i g b t 中载流子寿命短得多。 4 ) n p t i g b t 需要薄硅片制作工艺，而p t i g b t 由于厚的衬底的存在而对 硅片厚度要求不太严格。 p t - i g b t 器件因为外延工艺的存在，必然导致制作成本的增大，尤其对高压 器件更为明显，而n p t - i g b t 则没有这个必要。p t - i g b t 掺杂浓度高且很厚的背