【摘 要】
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半导体功率器件能够提高电能转换效率,对实现我国“双碳”目标极其重要。场截止绝缘栅双极型晶体管（FS IGBT）是目前最前沿的半导体功率器件之一,其研究重点主要聚焦于优化关断损耗与导通电压的折中关系。将超结结构引入场截止IGBT可改良这一折中关系。在实际应用中,功率器件会碰到一些极端工况,如:大电流关断、短路等恶劣场景,很容易导致器件损坏。因此在优化IGBT折中关系的同时也需要格外考虑器件的可靠性。
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半导体功率器件能够提高电能转换效率,对实现我国“双碳”目标极其重要。场截止绝缘栅双极型晶体管（FS IGBT）是目前最前沿的半导体功率器件之一,其研究重点主要聚焦于优化关断损耗与导通电压的折中关系。将超结结构引入场截止IGBT可改良这一折中关系。在实际应用中,功率器件会碰到一些极端工况,如:大电流关断、短路等恶劣场景,很容易导致器件损坏。因此在优化IGBT折中关系的同时也需要格外考虑器件的可靠性。安全工作区是IGBT可靠性研究的重点之一,短路安全工作区则是安全工作区的重要组成部分,因此对超结场截止IGBT的短路安全工作区进行探讨是很有必要的。本文通过TCAD-Sentaurus软件,对比了1200V等级普通场截止IGBT和超结场截止IGBT的短路安全工作区,对限制短路安全工作区的热击穿和电击穿依次进行了仿真分析,从而对超结场截止IGBT的短路安全工作区进行分析研究。本文首先对普通和超结栅槽型场截止IGBT的基本半元胞结构进行建模仿真,提取热击穿仿真过程中的电热特性。对比短路失效前的短路工作时间(TSC),并对器件在短路过程中内部状态进行提取分析,从而对仿真结果提出理论解释。电击穿只能在多元胞仿真中被观察,本文对普通和超结栅槽型场截止IGBT的32元胞结构进行建模仿真,提取仿真过程中的电热特性,并对器件在短路过程中内部状态进行提取分析,讨论电击穿现象。本文的仿真结果表明,第一,器件内部的电场分布与器件内部的温度分布紧密相关,因而能够对IGBT的热击穿产生影响。集电极掺杂浓度（NC）和漂移区掺杂浓度共同决定器件内部的电场峰值。由于普通和超结场截止IGBT漂移区掺杂浓度相差较大,因此其电场峰值受NC的影响不同,导致它们的TSC产生差距,本文所研究IGBT的ΔTSC至少有4μs,至多到6.87μs。同样的原因,超结场截止IGBT的TSC可以通过提升P/N柱区掺杂浓度来使之增加,最高可增加5.7μs;第二,超结场截止IGBT对电流丝有着更好的抑制能力,因为超结结构能够抑制器件底部电场峰值,从而避免器件底部出现较强碰撞电离;第三,本文所研究的超结场截止IGBT的关断损耗与导通电压的折中关系优于普通场截止IGBT的折中关系。在相同的导通电压下,超结场截止IGBT的关断损耗降低了高达89.75%。
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