基于SOI基的LIGBT的新结构及特性

1、IGBTIGBT新结构及特性新结构及特性21403200932140320093许峰许峰SOI LIGBTSOI LIGBT1 1、N+N+阴极区、多晶阴极区、多晶硅硅栅和栅和N N- -漂移区构成了漂移区构成了 N N型型MOSMOS2 2、P+P+阳极区、阳极区、N N漂漂移区和移区和P P WellWell构成了水平构成了水平PNPPNP双极型双极型晶体管晶体管, ,3 3、N+N+阴极区、阴极区、P WellP Well和和N N- -漂漂移区构成了垂直移区构成了垂直NPNNPN双极双极型晶体管型晶体管, ,同时这种结构中同时这种结构中4 4、寄生有寄生有N N+ +阴极区、阴极区、P

2、 P wellwell、N-N-漂移区和漂移区和P+P+阳极区阳极区构成的构成的PNPNPNPN型晶闹管结构。型晶闹管结构。 栅极上足够大的正偏压栅极上足够大的正偏压+ +阳极施加一定的正偏压阳极施加一定的正偏压来自来自N+N+阴极区的电子流经过阴极区的电子流经过N N型沟道型沟道区进入区进入N N漂移区漂移区到达到达JlJl结的边界后累积结的边界后累积降低了降低了JlJl结结N N基区一侧的电势基区一侧的电势当当JlJl结两端的结两端的电压大于电压大于P PN N结的开启电压结的开启电压P+P+阳极区向阳极区向N N漂移区注入空穴漂移区注入空穴此时横向此时横向PNPPNP晶体管处于导通晶体管

3、处于导通状态状态S0S0I I LIGBT LIGBT开始导通。开始导通。 注入到注入到N N基区的空穴在电场的作用下向阴极区漂移扩散，其中一部分在基区的空穴在电场的作用下向阴极区漂移扩散，其中一部分在N N基区与来自基区与来自MOSMOS沟道区的电子复合，另一部分通过沟道区的电子复合，另一部分通过J2J2结流入结流入P WellP Well，最后通过，最后通过P WellP Well欧姆接触区从欧姆接触区从阴极电极流出。阴极电极流出。 由于由于J1J1结正偏，注入到结正偏，注入到N N漂移区的空穴浓度远超过漂移的掺杂浓度漂移区的空穴浓度远超过漂移的掺杂浓度, ,根据电中性原理根据电中性原理,

4、 ,注注入的大量空穴将吸引入的大量空穴将吸引N N_ _漂移区中等量的电子漂移区中等量的电子, ,即即N1N1漂漂移区发生了电导调制效应移区发生了电导调制效应, ,使得电流使得电流密度提高密度提高n-n-漂移区的导通电阻大大降低漂移区的导通电阻大大降低, ,从而降低了具有髙耐压性能的从而降低了具有髙耐压性能的SOILIGBTSOILIGBT器件的器件的通态压降通态压降, ,降低了器件的通态功耗降低了器件的通态功耗, ,从根本上解决了从根本上解决了 LDMOS LDMOS器件耐压与导通电阻之间的矛器件耐压与导通电阻之间的矛盾。盾。SOI-LIGBT导通模式导通模式功耗理论功耗理论 功率半导体器件

5、大多数工作于开关状态，在开、关过程和导通、关断状态都有功耗产生。IGBT 器件的功率损耗包括静态功耗和动态功耗。l 静态功耗指的是IGBT 处于静态下发生的功耗，包括通态功耗和关态功通态功耗和关态功耗耗，l 动态功耗由开通功耗和关断功耗开通功耗和关断功耗组成。 IGBT 为电压型驱动器件，在关断状态时电流几乎为零，故关态功耗为零。所以IGBT的总功耗P是由通态功耗Pf 和开关（开和关瞬时）功耗Ps 组成的。 功率半导体器件大多数工作于开关形式，在开、关过程和导通工作过程都有功率损耗。IGBT器件的总功耗P，是由开和关瞬时功耗只和通态功耗组成的。 开通与关断功耗不相同关断时问比开通时间长，关断损

6、耗明显大于开通损耗权衡电导损耗以及开关损耗权衡电导损耗以及开关损耗的的方法方法: :1、制作在SOI衬底上或者PSOI（局部SOI）2、多通道（或多发射极）LIGBT。3、超结LIGBT； 4、TB结构SOISOI 采用埋氧层将顶层硅与下面的硅衬底隔离开,器件制作在顶层硅上,这样使得器件与器件之间不能通过衬底进行耦合,极大的改善了器件性能,是21世纪新一代的硅基材料。u 速度高、功耗低：良好的介质隔离使器件的漏电流显著减小漏电流显著减小,从而进一步减小了器件的静态功耗。由于器件的动态功耗由输出电容,工作电压和频率共同决定,而SOIOI器件寄生电容器件寄生电容主要来自隐埋二氧化桂层电容主要来自隐

7、埋二氧化桂层电容, ,远小于体远小于体硅硅器件中的电容器件中的电容,因此可以有效地减小动态功耗,提高器件的工作速度。u 集成密度高:SOI集成电路采用全介质隔离u 抗闩锁能力强:由采用SOI结构的电路中不存在寄生晶闸管结构,具有很强的抗闩锁能力。u 抗福照特性好:相比同样性能的体娃器件,SOI器件抗福照能力较强由于其所占的桂岛面积较小,在同样的福射剂量下,可有效地减小所产生的少数载流子浓度。u 基于基于SOISOI材料的材料的LIGBT (Lateral Insulator Gate BipolarTransistor)LIGBT (Lateral Insulator Gate Bipolar

8、Transistor)具有绝缘性能好、具有绝缘性能好、寄生电容小、较低的泄漏电流及集成度高等优点并且其制作工艺与寄生电容小、较低的泄漏电流及集成度高等优点并且其制作工艺与SOI-CMOSSOI-CMOS工艺相兼容工艺相兼容双发射极的超结双发射极的超结IGBTIGBT（DESJ-IGBTDESJ-IGBT）第一个发射极由P+和n+区，第2个发射极只有P+区；两发射极由沟隔离隔开;双发射极特性改善分析双发射极特性改善分析 关断状态时：N柱和P柱耗尽，它们有相同的屏蔽能力因为它们有相同漂移长度Ld；导通状态时，Ihp和Ihn分别为p柱区和n柱区的空穴电流，因此得到总电流为： （M是p-n柱区的宽度比

9、，由此我们可以看到在p-body区的n+下方总电流包含全部的Ihn和以及Ihp的一部分。） 若该地区压降大于0.7V,J将会产生闩锁效应。 （N表示N+区域下方电流Ihp的部分比例系数。Rbase-con是基区中N+区域下的等效电阻） 得到闩锁电流为： （Ie-con是超结IGBT的电子电流） 在双发射极IGBT（DESJ-IGBT）中，只有Ihn对闩锁效应有影响，因此得到 在DESJ-IGBT中Ie-DESJ是DESJ-IGBT的电子电流，数值上等于Ie-con因为两者具有相同的阈值电压以及漂移区域，Rbase-DESJ与Rbase-con相等因为p-body区域的掺杂以及N+区域的宽度相等

10、。由此我们可以得到Ilatch-DESJIlatch-con即抗闩锁能力得到了提高SJSJ 超结技术的发明打破了所谓的“硅限” ( Si lico nlimi t ) ,根本性地解决了传统功率器件提高击穿电压和降低导通电阻的矛盾。N型半导体和P型半导体相互交替所构成的耐压区,使得耐压区中的电场分布趋于均匀分布, 即使耐压区有很高的掺杂浓度。 超结IGBT与普通的穿通型IGBT相比,除了漂移区的结构和掺杂浓度不同外,其他地方都是完全相同的超结技术对于器件耐压能力改进主要依赖于关断状态时耐压区内N 柱和P柱电荷相互补偿,使得耐压区几乎可等效为掺杂浓度极低的本征半导体。所以, N柱和P柱之间的剂量关

11、系会影响器件耐压,并且N柱和P柱之间的剂量大小对器件的导通特性与普通穿通型IGBT漂移区电场的梯形分布不同,超结IGBT漂移区内的电场是均匀分布的 1、随着衬底浓度的增加有轻微的减小,这与超结结构内部独特的电场分布有关；2、电荷非平衡效应对超结IGBT耐压能力的影响超结IGBT的N 柱和P柱掺杂浓度越高,器件击穿电压对两者的浓度误差越敏感。这和超结IGBT利用电荷补偿提高器件耐压的原理有关，超结IGBT的N柱和P柱掺杂浓度越高,二者之间的浓度误差就应该越小,这样才能保证器件有较高的击穿电压。TB-LIGBTTB-LIGBT在设计的器件中有一个绝缘沟屏障在靠近阴极的漂移区，电子在P-body下方

12、注入N漂移区由MOS沟道注入分布在n漂移区，,空穴流到p+的密度靠近阴极空穴聚集增加的。因为从mos注入的电子，电导调制效应通态电阻减小。这样就可以减少电阻从而降低电导损耗当开关损耗增加。对于SJ LIGBT，大多数空穴流到p-pillar（柱）当n/p基区掺杂足够高的时候。对于TB隔离了整个P-pillar和p-body区域。提高了空穴的阻挡以及载流子的存储从而以减小电导损耗通态损耗（通态损耗（1 1）图1反映的是有TB和没有TB（空穴密度）对比，从阳极到阴极空穴密度逐渐减少（由于空穴载流子复合）以及p-body和n-drift之间的耗尽区，并且有带TB结构的LIGBT的空穴浓度明显比一般的

13、高和均匀。因此，tb可以在阴极区附近的N漂移区提高空穴的浓度对于超结LIGBT，没有TB结构的LIGBT，p-pilar里的空穴分布均匀是因为p-pillar区的浓度很高从而复合几率很低，p-body和p-pillar之间也没有耗尽区。有tb结构的SJ LIGBT在漂移区平均浓度更高相对于没有tb结构的SJ LIGBT通态损耗（通态损耗（2 2）v对于对于LIGBT: Vce（sat）由由1.36v减减到到1.2v减小了减小了11.76%。v对于对于SJ LIGBT: Vce（sat）由由1.28v减到减到1.02v减小减小20.31%，对于超结对于超结LIGBT,空穴空穴Z主要注入主要注入p

14、-pillar,p-pillar是与是与p-body隔离隔离开来的，因此空穴的储开来的，因此空穴的储存更好。存更好。开关损耗开关损耗 靠近阴极的载流子耗尽很快，因此对开关损耗的影响很小。对于LIGBT，载流子主要累积在阴极附近的漂移区，如图2所示，虽然空穴的在p-pillar区显著变大而LIGBT损耗是由p-body和n-drift造成的。SJ LIGBT的损耗主要是由n/p-pillar造成的。靠近阳极的载流子同阴极的一样容易被swept away （一扫而光）引起少量的开关损耗。对于LIGBT 漂移区的掺杂浓度为,TB扩大了Eoff从0.416mj到0.445mj，对于超结ILGBTN/P

15、柱掺杂浓度比为,从0.344mj增大到0.359mj。开通损耗以及开关损耗提升击穿电压（击穿电压（BVBV）TB在电场分布上有两个影响：1、轻微的减小漂移区的电场强度；2、电势能在TB处降低。这两中影响同时存在致使击穿电压特性几乎没有受到任何影响。 SJ-LIGBT有更高的漂移区浓度在同一击穿电压下3、当外延层的厚度是3um的时候，Vce(sat)在2.4um厚度的tb下达到最小值6，LIGBT拥有更低的通态损耗在阴极有TB结构时TBTB结构的结构的ILGBTILGBT的总结的总结 由于TB-ILGBT中，可以与沟道栅氧化层的侧壁以及绝缘沟可以在同一步同时生成。 TB LIGBT可以与传统的CMOS工艺兼容,再加上这种结构能改善导通损耗以及开关损耗性能且具有不牺牲BV 的特点。由仿真结果我们同样可以看到，TB结构不仅可以应用到传统的LIGBT也适用于SJ LGBT，鉴于以上原因TB结构具有很强的适用性以及应用前景其它结构其它结构(1)-(1)-阳极辅助栅结构的阳极辅助栅结构的SJLIGBT SJLIGBT