一种低功耗4H-SiCIGBT的仿真研究.docx资源-CSDN文库

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第三代半导体材料 4H-SiC 由于具有高临界击穿电场、高电子饱和漂移速

度、优异的热导率和抗辐照能力等优点,已成为当今的研究热点

[1,2,3,4,5,6,7]

,被视作

功率器件的理想材料。作为功率半导体器件的重要组成部分,4H-SiC 绝缘栅双

极晶体管(4H-SiC IGBT)也受到越来越多的关注。

4H-SiC 具有 10 倍于传统 Si 材料的临界击穿电场,应此较为适合应用于 15

kV 以上的超高压领域,已有文献对相关研究团队的工作进行了说明

[8,9,10]

。另外,

相关研究指出,N

-

漂移区厚度和掺杂浓度与 IGBT 击穿电压关系密切

[11,12,13]

;优化

IGBT 结构参数也并非唯一提高器件性能的方式,设计新型终端结构

[14,15]

及改良

SiC 制造工艺

[16,17]

同样能够起到提升器件性能的作用。

对于 4H-SiC IGBT 来说,其优异的电导调制效应使器件在正向导通时可获

得较低的正向压降,这使得 IGBT 器件在超高压领域相比于其他功率器件更具

有优势

[18]

。但与此同时,N

-

漂移区中过高的载流子密度也拖慢了 4H-SiC IGBT

关断时间。拖尾电流的存在使得 4H-SiC IGBT 关断损耗不容忽视,平衡正向导

通特性与关断损耗成已为设计 4H-SiC IGBT 必须要考虑的问题。

为改善 4H-SiC IGBT 关断时间过长以及关断能量损耗过大的问题,本文提

出一种新型 4H-SiC 沟槽栅绝缘栅双极晶体管(4H-SiC C-TIGBT)结构。与传统

4H-SiC 沟槽栅绝缘栅双极晶体管(4H-SiC C-TIGBT)相比 ,在 N

+

缓冲层中引入

相互垂直的 P 区与 N 区,所构成的 PN 结在 4H-SiC N-TIGBT 关断过程中处于

反向偏置状态。本文利用其内部电场加快 N

-

漂移区中载流子的抽取,提升器件

关断速度并降低关断能量损耗。同时,反向偏置 PN 结电场优化了 N

-

漂移区内

部电场分布,对提升器件击穿电压起到了帮助作用。

1 器件结构及参数

1.1 器件结构

图 1 展示了所设计的 4H-SiC N-TIGBT 以及对比参照的 4H-SiC C-TIGBT

半元胞结构。从图 1 中可以看出,两者仅在 N

+

缓冲层区域的设计上存在不同。

4H-SiC C-TIGBT 和 4H-SiC N-TIGBT 的详细结构参数设置如表 1 所示。器件

中电流扩展层起到了将电流均匀分布的作用;栅极下方的 P

+

屏蔽层起到了保护

沟槽栅底部的作用,有利于 SiC 材料充分发挥耐高压的优势。考虑到器件正导

通向特性与关断特性存在折中关系,将 N

-

漂移区中载流子寿命设置为 1 μs,N

+

缓

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