一种超结SOI LIGBT器件研究

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随着智能功率集成电路对功率半导体器件可集成度的要求越来越高,传统体硅LIGBT (Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor) 已经难以满足需求。SOI (Silicon On Insulator) LIGBT 器件具有 LIGBT 高耐压和大电流、相比功率 BJT (Bipolar Junction Transistor) 更快的开关速度和更简单的驱动电路的优势的同时,其绝缘埋层有效的隔离了衬底与漂移区,阻断了载流子泄漏路径,大大改善了LIGBT器件的可集成性。  为了实现超过500V的高耐压,SOI LIGBT的埋氧层往往被设计的非常厚,而厚的埋氧层削弱了SOI LIGBT在隔离上的优势,还导致本就困扰着SOI器件的散热问题被放大。因此,研究人员提出了应用漂移区线性变掺杂技术的薄硅层 SOI LIGBT,这种器件采用介质场增强技术,能够在较薄的埋氧层下实现高耐压。然而,薄硅层SOI LIGBT其空穴注入效率很低,电流能力相比常规SOI LIGBT弱化,再加上薄硅层是由厚氧化层氧化硅层得来,所以很难通过改进漂移区来改善器件的电流能力。  本论文研究设计了一种新型超结 SOI LIGBT 器件,即 Semi-SJ (Semi Superjunction) SOI LIGBT器件。论文首先介绍了功率半导体器件、IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 器件、SOI LIGBT 器件的发展概况。分析了 Semi-SJ SOI LIGBT器件设计的基本理论,即横向超结和SOI介质场增强理论,给出了器件的关键尺寸,结合Sentaurus TCAD (Technology Computer Aided Design) 三维器件仿真介绍了Semi-SJ SOI LIGBT的基本特性。介绍了Semi-SJ SOI LIGBT存在的混合传导模式,从理论与仿真两方面阐述了混合传导模式的机理。基于合作方工艺平台,设计了Semi-SJ SOI LIGBT工艺流程,介绍了Semi-SJ SOI LIGBT器件版图设计。还介绍了基于 Semi-SJ SOI LIGBT 的载流子存储结构、阳极短路结构和分段厚介质结构器件,简要说明了他们的机理和版图上的针对设计。  在合作方提供的工艺平台进行了流片实验,最终测试得到了一种具有 0.17μm薄硅层的Semi-SJ SOI LIGBT,其饱和电流相比常规结构增长38.9%,而其耐压与常规结构大致相同,高达850V。
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