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快乐飞艇开奖软件下载 RC-IGBT终端结构设计

作者:海飞乐技术 时间:2019-03-04 17:24

  本文所设计终端结构,正面结构包括一个等位环、5个场限环与多晶场板、一个截止环,背面结构包括N+短路孔。等位环与场限环结深相同,利用RING版单独制作。多晶场板与元胞区多晶硅栅极一起制作,截止环与元胞区NSD一起制作,不需要额外的工艺步骤。多晶硅场板通过金属铝与场限环相接,如图1所示。图中,结构A与结构B正面参数结构完全相同,仅背面结构不同。

RC-IGBT终端结构 
图1 RC-IGBT终端结构
(a)终端结构A示意图;(b)终端结构B示意图
 
  RC-IGBT正面终端结构优化包括场限环结深、环宽和环间距,多晶硅场板长度,等位环宽度以及截止环位置等参数。通常采用仿真软件并结合实际经验进行终端的优化设计,其根本目标是在保证耐压和终端可靠性的基础上,尽可能减小终端尺寸。本文所设计终端,环结深5.2µm,环宽8µm,多晶硅场板长度10µm,
 
  整个终端宽度约260µm,环间距参数如表1所示,R0表示等位环、RX表示第X个场限环,如R1表示第一个场限环。
表1 终端环间距参数
终端环间距参数 
  RC-IGBT背面终端结构优化指N+短路孔的位置。图1中结构A将N+短路孔置于等位环正下方,结构B将N+短路孔置于场限环下方。N+短路孔的位置,不影响RC-IGBT在静态情况的耐压值,两种终端结构耐压都为733V。值得注意的是,通常器件击穿出现在等位环处,将N+短路孔设置在等位环正下方有利于减小电流路径,从而降低局部温度过高现象,如图2(a)所示。而将N+短路孔设置在场限环下方,电流路径增加,如图2(b)所示。
两种终端结构在击穿时电流分布图 
图2 两种终端结构在击穿时电流分布图
(a)结构A击穿电流分布图;(b)结构B击穿电流分布图
 
  当RC-IGBT工作在IGBT导通模式下时,邻近元胞的终端区域仍然具有较强的电导调制效应,终端区的大量电子-空穴对必须在关断过程中被抽。???龀∠藁反τ诟】兆刺,无法抽取空穴。空穴不得不通过就近的等位环到达发射极,从而导致等位环在关断过程中存在极强的电流集中现象。结构A将N+短路孔设置于等位环正下方,极大地降低了邻近元胞的终端区域载流子浓度,从而可有效抑制等位环附近的电流集中现象。
 
  当RC-IGBT工作在FRD导通模式下时,由于等位环与发射极电位相同,此时等位环向N型漂移区注入大量空穴,使得终端区域的电导调制效应增强。图3是结构A和结构B在相同电流条件下的横向载流子分布图,由图3(a)可知,结构A在靠近元胞区空穴浓度较高,但在远离元胞区结构B浓度较高。在器件底部,在N+短路孔附近出现载流子峰值,N+短路孔两侧载流子浓度很低,低于漂移区掺杂浓度,如图3(b)所示。从载流子在关断过程中经过路径以及IGBT模式的关断特性考虑,最终选择结构A作为RC-IGBT终端。值得注意的是,结构A需要与正面图形进行对准,才能精确设置N+短路孔位置,工艺相对较复杂。
不同终端结构的反向导通时的载流子分布图 
图3 不同终端结构的反向导通时的载流子分布图
(a)漂移区中横向空穴分布图;(b)器件底部横向空穴分布图
 
  温度是影响终端特性的重要因素,图4(a)是温度在25℃、100℃、125℃、150℃和175℃条件下的阻断I-V特性图,电流为指数坐标。由图可见,常温下,RC-IGBT终端击穿电压较硬。温度较高时,击穿曲线变软,泄露电流变大。但随着温度的增加,终端耐压增大,在175℃时,耐压高达936V。图4(b)是温度在25℃、100℃、125℃、150℃和175℃时,击穿条件下的表面电势分布。由图可见,各环上承担的压降逐渐增加。电位变化仅存在于场限环之间的N型漂移区中,而场限环是一个等势体,不存在任何压降。对比不同温度的电势分布可见,温度造成的耐压增加,是由于各场限环上承担的耐压增大引起的。
温度对终端耐压以及电势分布特性的影响 
图4 温度对终端耐压以及电势分布特性的影响
(a)不同温度下阻断特性曲线;(b)不同温度下表面电势分布图
 
  图5是结构A在25℃击穿条件下的等势线、电场以及碰撞电离率图。由图(a)可知,各环承受的耐压逐渐增加,截止环附近几乎不存在电场。结合图(b)与(c)可知,电场峰值在硅体内,硅表面电场低于体内,有效防止了硅表面提前击穿。电场峰值在等位环与第一场限环处最高(达260KV/cm),之后峰值逐渐降低。最后一个场限环处峰值电场仅190KV/cm。图(d)说明该终端结构碰撞电离率主要集中在等位环下方,其它各个场限环上碰撞电离率很小。
结构A在击穿时的电势、电场以及碰撞电离率分布图 
图5 结构A在击穿时的电势、电场以及碰撞电离率分布图
(a)击穿时等势线分布图; (b)击穿时电场映射图;
 (c)击穿时三维电场分布图; (d)击穿时三维碰撞电离率分布图



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