SOI-LIGBT器件动态雪崩特性研究

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绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管(Silicon-On-Insulator Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor,SOI-LIGBT)器件因其耐压能力强、电流能力大以及易于集成等优点,成为了单片智能功率芯片中的核心开关器件。在实际应用中,高压大电流会引起SOI-LIGBT器件的动态雪崩,而动态雪崩能力是衡量器件鲁棒性的重要指标之一,因此,有必要对SOI-LIGBT器件的动态雪崩特性进行研究并优化。本文基于课题组研发的SOI-LIGBT器件,对感性箝位负载、短路和感性非箝位负载(unclamped inductive switching,UIS)下的器件动态雪崩特性进行了深入研究。研究发现,感性钳位负载关断过程中,器件的发射极区域发生动态雪崩,大量电子空穴对引起电流集聚和局部温升,导致寄生NPN三极管开启和器件失效。短路初始阶段,发射极区域动态雪崩产生的电子向集电极方向移动,使集电极区域的碰撞电离率升高,集电极侧碰撞电离产生的空穴流回发射极,导致寄生NPN三极管开启和器件失效。短路持续过程中,晶格温度不断升高,器件内部最大碰撞电离位置由发射极侧转移至集电极侧,最终过热失效。感性非箝位负载关断过程中,电感存储的能量通过器件释放,造成集电极电压迅速超过雪崩击穿电压值,若器件的动态雪崩能力较弱,则失效。基于上述机理分析,研究了器件结构参数以及外部参数等因素对动态雪崩的影响。本文通过两种改进方法:一是在发射极侧引入深氧化物沟槽以调整电流路径,二是增大鸟嘴与发射极的间距以错开峰值电场与峰值电流,最终得到综合优化结构。仿真结果显示:优化后的结构的雪崩电流为274.45A/cm~2,雪崩耐量为1.74J/cm~2,雪崩能力相比于未优化结构提高70%。
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