高壓絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的設(shè)計與實現(xiàn).pdf

1、IGBT自上世紀80年代發(fā)明以來，經(jīng)過30余年的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展。其作為最新一代的復(fù)合全控型功率器件，具有電壓控制、輸入阻抗大、驅(qū)動功率小、控制電路簡單、開關(guān)損耗小、工作頻率高等諸多優(yōu)點，應(yīng)用范圍也十分廣泛。其中，耐壓在1700 V及以上的IGBT在電機控制、新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)、電動汽車等領(lǐng)域起著不可替代的作用。但由于國內(nèi)工藝技術(shù)水平相對落后，1700V及以上IGBT的設(shè)計與生產(chǎn)長期落后于國外。本課題旨在結(jié)合現(xiàn)有國內(nèi)工藝

2、，一方面研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的1700V/100AIGBT芯片，同時設(shè)計了一種適用于3300 V IGBT的新結(jié)構(gòu)，通過這兩方面工作為高壓IGBT在國內(nèi)的研發(fā)和實現(xiàn)積累一定的經(jīng)驗。
　　本論文的主要工作及創(chuàng)新點包括:
　　1、在本團隊張斌博士工作的基礎(chǔ)上，對1700VIGBT芯片進行了設(shè)計改進。針對耐壓偏低（測試值為1700 V左右）情況，定制了電阻率更大的材料片，并重新對P+區(qū)進行拉偏試驗確定了元胞的P+注入最優(yōu)工藝參數(shù);

3、針對飽和導(dǎo)通壓降偏高（測試值為3.7V）情況，結(jié)合市場同類產(chǎn)品的芯片面積，對版圖進行了增大處理，同時對背面激光退火工藝進行了拉偏試驗等。最終使擊穿電壓BVCES達到1890 V，工作電流100A、正向飽和導(dǎo)通壓降VCE(sat)2.80 V，閾值電壓Vth4.75V左右、柵發(fā)射極漏電流Iges小于15 nA、關(guān)斷時間Toff為1.14μs、開啟及關(guān)斷關(guān)斷功耗均小于30 mJ，除關(guān)斷時間略有延長外，關(guān)鍵指標有顯著提升。
　　2、張斌

4、博士提出了一種帶有雙面N+擴散殘留層的IGBT新結(jié)構(gòu)，通過仿真發(fā)現(xiàn)此結(jié)構(gòu)能改善1700V IGBT的JFET電阻，在改善器件導(dǎo)通壓降的同時，擊穿電壓沒有發(fā)生明顯下降。但是流片測試后發(fā)現(xiàn)，器件耐壓只有1300V左右，始終遠低于仿真設(shè)計值，針對仿真與流片的這一巨大差異，本論文做了相應(yīng)研究。通過對材料片做的多次缺陷腐蝕分析試驗發(fā)現(xiàn)，因為形成雙面N+擴散殘留層需要用到的三重擴散工藝溫度高(1285℃)、時間久（168小時），其造成的后果是導(dǎo)致硅

5、片的缺陷密度劇增，而缺陷密度過大是造成器件擊穿過早的主要原因。
　　3、在第2點工作的基礎(chǔ)上，將帶有雙面N+擴散殘留層的新結(jié)構(gòu)應(yīng)用到3300V IGBT中。因為3300 V IGBT所需的三重擴散結(jié)深較淺，時間較短，這樣就可以避免工藝過程中引入過多的缺陷所帶來的風(fēng)險，從而發(fā)揮該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，使器件在擊穿特性與導(dǎo)通壓降上有一個更理想的折衷。在此前提下，完成了對3300VIGBT從材料選取、元胞及場限環(huán)結(jié)構(gòu)確定、工藝參數(shù)制定等一系列設(shè)計