【摘 要】
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随着“十四五”规划发布,功率器件的重要性随之增加,逐渐成为“十四五”科技兴国线路中的重中之重。作为功率器件的顶梁柱,绝缘栅双极晶体管（IGBT）器件研究与生产也越来越重要。近年来有很多科研工作者一直致力于改善IGBT的工作性能。IGBT研究目前主要存在两个方面的问题,其一是对通态性能与关断损耗之间的折衷;其二是元胞边缘容易引起电场集中,导致边缘处提前击穿耐压下降,需要进行终端保护设计。目前大多数牵
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随着“十四五”规划发布,功率器件的重要性随之增加,逐渐成为“十四五”科技兴国线路中的重中之重。作为功率器件的顶梁柱,绝缘栅双极晶体管（IGBT）器件研究与生产也越来越重要。近年来有很多科研工作者一直致力于改善IGBT的工作性能。IGBT研究目前主要存在两个方面的问题,其一是对通态性能与关断损耗之间的折衷;其二是元胞边缘容易引起电场集中,导致边缘处提前击穿耐压下降,需要进行终端保护设计。目前大多数牵引列车使用的芯片电压一般为3300 V,因此基于以上两个主要问题,对3300 V IGBT器件的性能进行了研究和改进。本文首先对IGBT器件的具体工作原理、静态特性、闩锁特性与动态开关特性进行了充分的介绍和理论分析,系统地讲述了Si基IGBT的仿真物理理论模型。利用仿真软件对3300 V硅基平面栅非穿通型（NPT）IGBT元胞进行设计仿真研究,分析了击穿电压与N-漂移区浓度之间的关系,以确定初始仿真参数。分别通过对各结构参数进行静态仿真分析,得到最优的各参数数据如N-漂移区厚度及杂质浓度、P-Base区的注入浓度及厚度、元胞大小、P+集电极浓度及厚度等,终得到的IGBT器件击穿电压为3950 V,集电极电流密度为50 A/cm~2时的导通压降为2.912 V,阈值电压为5.4V。基于得出的仿真结果对IGBT进行开关特性仿真,得到N-漂移区浓度从1.0×1013cm-3增加到2.5×1013cm-3时,关断损耗从9.56 m J降低到2.54 m J;随着P+衬底掺杂浓度从1.0×1017cm-3增大到2.0×1017cm-3时,IGBT器件关断损耗也从2.82 m J增大到了3.51 m J。随之将IGBT元胞映射到三维空间,进行了三维结构建模,建立了三维仿真方法,仿真分析表明三维特性与二维特性基本相符合。探究了横截面为长条形的IGBT元胞与方形IGBT元胞两者的区别,两者的击穿电压接近,分别为3999 V和3948 V,转移特性和输出特性中方形IGBT的集电极电流更大一些。基于建立的三维仿真方法,提出并仿真研究了一种具有折叠栅结构IGBT。仿真结果表明:与传统的平面栅IGBT相比,该结构可以通过折叠栅结构显著展宽器件沟道宽度,增加发射极注入电子的数量,增强漂移区电导调制效应,改善器件导通特性,较传统的平面栅IGBT器件VCE-on降低了9.6%。接下来研究了IGBT的终端保护结构,分为以下两部分研究:（1）普通场限环终端（C-FLR）与一种新型的T型场限环终端（T-FLR）设计与研究。得到了等差分布排列的C-FLR,其耐压达到了4441 V。提出一种新型的T型场限环终端结构,该结构存在夹角θ,研究得到当θ=73°（场限环下边长为2.4μm）时,该T-FLR终端的终端尺寸比C-FLR减小8.8%,且耐压有些许提升,为4475 V。（2）普通单区结终端扩展结构（SZ-JTE）与一种新型的T型单区结终端扩展结构（SZ-TJTE）设计与研究。通过仿真得到JTE终端长度Lpt为505μm,掺杂浓度Npt为5.2×1015cm-3时,SZ-JTE的击穿电压达到最大值3520 V。对所提出的新型SZ-TJTE终端仿真得到当θ为6.2°,Npt为5.35×1015cm-3时,SZ-TJTE终端的耐压达到最优值3970 V,比SZ-JTE结构提高了12.9%,且终端尺寸比SZ-JTE减小8.9%,提高了芯片面积的集约性。综上各仿真结果,本文设计得到了较优性能的IGBT元胞结构以及终端保护结构,提出了一种新型的能够增大器件导电能力的凹槽折叠栅IGBT。本文提出的两种新型终端折衷了击穿电压与终端长度,对以后IGBT器件更加深入的仿真研究设计有一定的参考价值。
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