自夹持P型屏蔽型碳化硅沟槽型绝缘栅双极晶体管，用于低开通电压和开关损耗

标题：Self-Clamped P-shield SiC Trench IGBT for Low On-State Voltage and Switching Loss

Proceedings of the 35st International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs

摘要

摘要—提出了一种新颖的自夹持P型屏蔽型碳化硅沟槽栅型绝缘栅双极晶体管（IGBT）设计。在发射极侧通过引入N型阱到P型屏蔽区域，嵌入了增强型（E-mode）PMOS和开放基极PNP晶体管。在关断状态下，通过E-mode PMOS的导通，P型屏蔽被固定在低电位，保持强电场屏蔽效应以保护沟槽栅氧化物。在导通状态下，P型屏蔽通过N型阱形成的深孔阻障电势浮动，增强注入增强（IE）效应。在高集电极-发射极电压条件下，通过开放基极PNP晶体管的穿透效应夹持P型屏蔽，有效减小饱和电流。此外，自夹持P型屏蔽降低了米勒电容并抑制了开关瞬态期间的负门电容，实现低开通电压和开关损耗以及高开关速度。因此，自夹持P型屏蔽碳化硅IGBT提供了一种同时改善开通、关断和开关性能的设计解决方案。

关键词—碳化硅沟槽IGBT、自夹持P型屏蔽、开通电压降、栅氧化物电场、开关特性

信息解释

E-mode（增强型模式） 是指一种晶体管工作模式，其中器件在零偏压下处于关断状态，需要外部的正电压或正电流来激活器件进入导通状态。在E-mode下，晶体管的栅极控制信号用于产生一个电场，以便改变通道的导电性。只有当栅极与源极之间的电压或电流超过特定阈值时，晶体管才会进入导通状态。

相对而言，D-mode（耗尽型模式）晶体管在零偏压下处于导通状态，并且需要外部的负电压或负电流来关闭器件。在D-mode下，晶体管的栅极控制信号用于改变通道的导电性，以使电流流过通道。

E-mode晶体管在一些应用中具有优势，例如在逻辑电路和功率开关应用中更为常见。

注入增强（Injection-Enhancement，简称IE） 效应是指在某些器件中，通过控制电场或电压，增强电子或空穴的注入效应，从而提高器件的导通能力或性能。

在晶体管等器件中，当电场或电压达到一定程度时，电子或空穴可以被注入到半导体材料的导电区域，从而增强电流的传输。这种注入增强效应可以改善器件的导通特性，降低开通电压或电流，并提高器件的开关速度和性能。

在文中提到的自夹持P-shield SiC trench IGBT设计中，通过形成N型阱和深孔阻障电势，可以增强注入增强效应，从而提高晶体管的导通能力和性能。注入增强效应的应用有助于改善开关器件的效率和性能。

研究了什么

该文章提出了一种新颖的自夹持P型屏蔽型碳化硅沟槽栅型绝缘栅双极晶体管（IGBT）的设计，能够在保持注入增强效应和降低米勒电容的同时，提供低开通电压和开关损耗。

文章的创新点

该文章的创新点在于提出了一种新颖的自夹持P型屏蔽设计的碳化硅沟槽栅型绝缘栅双极晶体管（IGBT），为同时改善开通、关断和开关性能提供了一种新的设计解决方案。该设计在发射极侧通过引入N型阱到P型屏蔽区域，嵌入了增强型（E-mode）PMOS和开放基极PNP晶体管。在关断状态下，通过E-mode PMOS的导通，P型屏蔽被固定在低电位，保持对沟槽栅氧化物的强电场屏蔽效应。在导通状态下，P型屏蔽通过N型阱形成的深孔阻障电势浮动，增强了注入增强（IE）效应。在高集电极-发射极电压条件下，通过开放基极PNP晶体管的穿透效应夹持P型屏蔽，有效降低饱和电流。此外，自夹持P型屏蔽减小了米勒电容，并在开关瞬态期间抑制了负门电容，实现了低开关损耗和高开关速度。

文章的研究方法

该文章采用了TCAD仿真作为研究方法。通过TCAD仿真分析了所提出的自夹持P型屏蔽型碳化硅沟槽栅型IGBT的性能及相应的工作机制。电子和空穴的寿命均设置为1μs。NMOS和PMOS的通道反转层迁移率分别设置为25cm²/V-s和17cm²/V-s。NMOS和PMOS的通道长度均为0.5μm。

文章的结论

该文章的结论是，所提出的自夹持P型屏蔽碳化硅沟槽IGBT提供了一种新的设计解决方案，能够同时改善开通、关断和开关性能。自夹持P型屏蔽降低了米勒电容并在开关瞬态期间抑制了负门电容，实现了低开关损耗和高开关速度。夹持的P型屏蔽提供了一条额外的空穴路径，减小了沟槽栅底部和侧壁周围的空穴电流，有效抑制了负门电容。自夹持P型屏蔽IGBT显示出比FP-IGBT更低的dI/dt和浪涌电流。此外，与FP-IGBT和GP-IGBT相比，SCP-IGBT的Eoff-V_ON关系在广泛的N阱范围内得到了显著改善，这是由于开关瞬态期间降低的米勒电容和导通状态下的强注入增强效应。