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绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)兼顾双极结型晶体管和金属氧化物场效应管的优点，易控制，导通电压低、电流密度大，击穿电压高，是目前最重要的功率半导体器件之一。与集成电路和SOI(Silicon-on-Insulator)技术结合后形成的SOI横向绝缘栅双极型晶体管(Lateral InsulatedGate BipolarTransistor, LIGBT)，可以实现集成度更高、功耗更低、隔离性能更好的微电子系统，在电源管理、各种电子设备驱动、智能开关等领域应用广泛。LIGBT的市场需求非常强劲，但它的技术长期被国外少数企业垄断，在国家大力发展半导体行业的政策支持背景下，对高性能LIGBT的研究很有意义。
高性能LIGBT需要更高的关断速度、更低的关断功耗、更小的导通电压、更高的电流密度。本文研究短路阳极结构发生负阻现象与阳极区电阻的关系，针对关断功耗与导通电压的折中关系，研究器件感性负载关断时非平衡载流子与漂移区埋层的关系，研究导通时器件闩锁触发和退出的机理，据此分别提出三类新结构，来提升LIGBT的性能。
本论文的创新点如下：
1.提出两种阳极区改进结构SOI-LIGBT，这两种结构既提升了器件的关断速度，节省了阳极区面积，又能抑制和消除snapback现象。
(a)具有L型抽取路径的SOI-LIGBT(LEP SOI-LIGBT)。在阳极区内通过对P型埋层、P+区和N+区的设置，在N型缓冲区内获得L型电子抽取路径，在较小的阳极面积下，获得足够高的电阻RSA。器件导通时，电子流过较大的RSA，能够使阳极区P+/N型缓冲区结导通，避免发生snapback现象。器件关断时，漂移区靠近阳极区的非平衡电子借助L型路径被快速抽取，因此提高了关断速度。分析L型抽取路径的关键参数对器件正向特性的影响。相比于SegmentedTrenchesintheAnode(STA)SOI-LIGBT和SeparatedShorted-anode(SSA)SOI-LIGBT，L-shapedExtractionPath(LEP)SOI-LIGBT的阳极面积可以分别减小63%和77%，导通电压为1.23V时，关断时间分别减小40%和28%。
(b)具有双L型抽取路径的LIGBT(DLP SOI-LIGBT)。该结构在LEPSOI-LIGBT的基础上，增加多晶硅L型抽取路径，构成双L型抽取路径结构，进一步压缩了阳极区面积。与传统SOI-LIGBT具有相等器件长度时，DLPSOI-LIGBT能够消除snapback现象。仿真结果表明导通电压为1.122V时，DLPSOI-LIGBT的关断功耗比传统LIGBT减小23%，而关断时间减小了约39%。
2.提出两种漂移区改进结构SOI-LIGBT,这两种结构改善了器件关断功耗与导通电压的折中关系。
(a)具有VLDP型埋层的LIGBT(VLD SOI-LIGBT)。该结构在传统SOI-LIGBT的漂移区中引入VLDP型埋层。分析VLDP型埋层的关键参数掺杂剂量、掺杂梯度、长度、厚度和位置对器件关断特性的影响。提出的dV/dt简易模型说明掺杂剂量和掺杂梯度能够在保证击穿电压的情况下，发挥该埋层辅助耗尽和抽取非平衡载流子的作用。相比于UPBSOI-LIGBT，导通电压为1.13V(电流密度100A·cm-2)时，关断功耗减小29.4%，导通电压为1.3V(电流密度200A·cm-2)时，关断功耗减小69.4%。
(b)具有VLDP型埋层的TGSOI-LIGBT(VLD TG SOI-LIGBT)。VLDP型埋层结构被引入到TGLIGBT中。仿真结果表明，导通电压为1.01V(电流密度100A·cm-2)时，相比于TGSOI-LIGBT和UPBTGSOI-LIGBT,VLDTGSOI-LIGBT的关断功耗分别减小65.3%和24.2%。
3.提出具有自偏置PMOS管的阴极区改进结构SOI-LIGBT(SP SOI-LIGBT)，提升了器件的电流密度。在阴极区通过引入自偏置PMOS管，结合NMOS管，较小的阳极电压就可以触发闩锁效应，改变漂移区载流子浓度的分布，从而获得较大的电流密度。通过机理分析和仿真软件，深入分析NMOS管和自偏置PMOS管的各种参数对器件正向伏安特性的影响。当阳极电压为2.59V时，与传统SOI-LIGBT相比，SPSOI-LIGBT的电流密度增加47%;SPSOI-LIGBT在100A·cm-2、300A·cm-2和500A·cm-2电流密度下，其关断功耗比传统SOI-LIGBT能分别减小51.28%、66.15%和83.17%，关断功耗与导通电压的折中关系获得极大的改善。
高性能LIGBT需要更高的关断速度、更低的关断功耗、更小的导通电压、更高的电流密度。本文研究短路阳极结构发生负阻现象与阳极区电阻的关系，针对关断功耗与导通电压的折中关系，研究器件感性负载关断时非平衡载流子与漂移区埋层的关系，研究导通时器件闩锁触发和退出的机理，据此分别提出三类新结构，来提升LIGBT的性能。
本论文的创新点如下：
1.提出两种阳极区改进结构SOI-LIGBT，这两种结构既提升了器件的关断速度，节省了阳极区面积，又能抑制和消除snapback现象。
(a)具有L型抽取路径的SOI-LIGBT(LEP SOI-LIGBT)。在阳极区内通过对P型埋层、P+区和N+区的设置，在N型缓冲区内获得L型电子抽取路径，在较小的阳极面积下，获得足够高的电阻RSA。器件导通时，电子流过较大的RSA，能够使阳极区P+/N型缓冲区结导通，避免发生snapback现象。器件关断时，漂移区靠近阳极区的非平衡电子借助L型路径被快速抽取，因此提高了关断速度。分析L型抽取路径的关键参数对器件正向特性的影响。相比于SegmentedTrenchesintheAnode(STA)SOI-LIGBT和SeparatedShorted-anode(SSA)SOI-LIGBT，L-shapedExtractionPath(LEP)SOI-LIGBT的阳极面积可以分别减小63%和77%，导通电压为1.23V时，关断时间分别减小40%和28%。
(b)具有双L型抽取路径的LIGBT(DLP SOI-LIGBT)。该结构在LEPSOI-LIGBT的基础上，增加多晶硅L型抽取路径，构成双L型抽取路径结构，进一步压缩了阳极区面积。与传统SOI-LIGBT具有相等器件长度时，DLPSOI-LIGBT能够消除snapback现象。仿真结果表明导通电压为1.122V时，DLPSOI-LIGBT的关断功耗比传统LIGBT减小23%，而关断时间减小了约39%。
2.提出两种漂移区改进结构SOI-LIGBT,这两种结构改善了器件关断功耗与导通电压的折中关系。
(a)具有VLDP型埋层的LIGBT(VLD SOI-LIGBT)。该结构在传统SOI-LIGBT的漂移区中引入VLDP型埋层。分析VLDP型埋层的关键参数掺杂剂量、掺杂梯度、长度、厚度和位置对器件关断特性的影响。提出的dV/dt简易模型说明掺杂剂量和掺杂梯度能够在保证击穿电压的情况下，发挥该埋层辅助耗尽和抽取非平衡载流子的作用。相比于UPBSOI-LIGBT，导通电压为1.13V(电流密度100A·cm-2)时，关断功耗减小29.4%，导通电压为1.3V(电流密度200A·cm-2)时，关断功耗减小69.4%。
(b)具有VLDP型埋层的TGSOI-LIGBT(VLD TG SOI-LIGBT)。VLDP型埋层结构被引入到TGLIGBT中。仿真结果表明，导通电压为1.01V(电流密度100A·cm-2)时，相比于TGSOI-LIGBT和UPBTGSOI-LIGBT,VLDTGSOI-LIGBT的关断功耗分别减小65.3%和24.2%。
3.提出具有自偏置PMOS管的阴极区改进结构SOI-LIGBT(SP SOI-LIGBT)，提升了器件的电流密度。在阴极区通过引入自偏置PMOS管，结合NMOS管，较小的阳极电压就可以触发闩锁效应，改变漂移区载流子浓度的分布，从而获得较大的电流密度。通过机理分析和仿真软件，深入分析NMOS管和自偏置PMOS管的各种参数对器件正向伏安特性的影响。当阳极电压为2.59V时，与传统SOI-LIGBT相比，SPSOI-LIGBT的电流密度增加47%;SPSOI-LIGBT在100A·cm-2、300A·cm-2和500A·cm-2电流密度下，其关断功耗比传统SOI-LIGBT能分别减小51.28%、66.15%和83.17%，关断功耗与导通电压的折中关系获得极大的改善。