具有低饱和电流的横向IGBT器件结构设计文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

具有低饱和电流的横向IGBT器件结构设计的文献综述

1. 引言

绝缘体上硅（SOI）横向绝缘栅极双极晶体管（LIGBT）作为高压功率开关器件，是全集成单片智能功率芯片中的核心器件[1]。相较于传统体硅工艺，SOI器件运行速度快、功耗低还易于集成，但由于其结构中氧化层的热导率低，高压大电流下，器件的自热效应会使器件特性漂移、沟道电流下降、跨导畸变以及载流子迁移率下降[2]。当获得较低的导通压降时，器件的饱和电流趋于增大，导致短路能力下降，短路时发热严重[3]。我们经常采用增加栅极电阻的方法抑制这一现象，但又会导致器件的关断速度降低，关断功耗增大。本文从器件结构角度分析影响饱和电流的因素，并进行结构优化，在保持一定的导通电压和关断速度的同时减小饱和电流，从而改善SOI-LIGBT器件的性能。

2. 研究现状

IGBT 在导通电压（V_ON）、关断功耗（E_OFF）和饱和电流（SCSOA）之间存在三角折中关系[4]。在保持一定的导通电压和关断功耗下，减小器件的饱和电流成为提高IGBT性能的技术难点[5]。现有大量文献针对SOI-LIGBT短路特性的优化提出各种新型结构，下面具体阐述这些SOI-LIGBT器件的结构及原理。

2.1 高压单片集成电路电流密度增强型U形沟道SOI-LIGBT

所述结构的U形沟道由一个平行沟道和两个正交沟道组成，每个单元中都有一个被U形沟道包围的JFET区。通过U形沟道，从发射极向n-drift的电子注入显著增强，电流密度得到了提高。在U形沟道之间的p 发射极在导通状态下充当额外的空穴电流路径，P 发射极的拓宽使闩锁电压得到提高。此外，根据分析模型，适当增加平行沟道与正交沟道之间夹角alpha;，可以提高电流密度，有利于减少n 发射极下空穴的拥挤，降低JFET区的温度，有利于提高闩锁电压和短路承受时间[6]。

2.2 沟槽栅U形沟道 SOI-LIGBT

通过使用栅极沟道和空穴阻挡沟道，TGU SOI-LIGBT实现了优于PGU SOI-LIGBT的VON和关断损耗（EOFF）。TGU器件的沟槽（G1和G2）由70 nm侧壁氧化层（栅氧化层）和回填多晶硅组成。在导通状态下，在PGU结构中，N 发射极的电子在进入N漂移区之前主要在硅表面流动[7]。集电极侧的载流子密度远高于发射极侧的载流子密度。而在TGU结构中，电子电流通过G1和G2流动。电子主要在G1和G2下方的硅区流动。G2作为空穴势垒，在发射极产生载流子存储效应和高载流子密度。发射极侧的一部分电流可以垂直流向P 发射极，而无需通过N 发射极下方的P-body区域，这个区域会延迟寄生NPN BJT的激活表现出无闩锁特性。

在TGU结构中，电流通过G1和G2，在发射极附近N-drift的底部区域产生较高的电流密度，这反过来又会影响该结构的热特性。在PGU结构中，最大晶格温度点位于靠近集电极的N-drift的底部。与PGU结构相比，在相同的SC持续时间下，TGU结构中大面积的热区延伸发射极，且温升更高。因此TGU结构在短路过程中存在严重的自热效应。