[发明专利]一种IGBT的设计方法

说明书

本发明适用于IGBT设计制技术领域，提供了一种IGBT的设计方法，包括如下步骤：S1、构建IGBT的元胞模型；S2、在IGBT元胞模型上调整单一的IGBT参数，IGBT参数包括元胞结构参数和工艺参数，获取各IGBT参数在不同取值下的IGBT性能指标值；S3、通对各IGBT参数对应的IGBT性能指标数据分别进行曲线拟合，获取多组IGBT参数与IGBT性能指标的拟合曲线及其对应的函数；S4、将各组IGBT参数与IGBT性能指标的函数导入目标优化函数，在IGBT的元胞模型中将各IGBT参数作为输入量，IGBT的目标性能指标作为输出量，搜索符合IGBT的目标性能指标的最优IGBT参数组合。可以通过仿真软件快速定位所需的IGBT结构并确定其结构工艺参数，极大缩短了IGBT的设计周期与设计成本。

技术领域

本发明属于IGBT设计技术领域，提供了一种IGBT的设计方法。

背景技术

随着家电的变频化，变频电控系统中IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)是驱动变频电机或变频压缩机的不可或缺的功率器件，在节能减排的事业中扮演着越来越重要的角色。

IGBT是针对晶闸管MOS栅极设计，是一种具有V形沟通区域的垂直四层结构，其中包含了MOS栅极结构。IGBT是在MOS结构上串联设计一个正向导通二极管，在导电时通过该二极管向MOS结构的漂移区注入大量多数载流子，从而增强了MOS管的电流能力；在截止时，二极管也截止，又可以增强MOS管本身的耐高压能力。目前的IGBT有PT、NPT、FS、Trench四种：

PT-IGBT是将MOSFET的N+衬底被替换为P+衬底。制作工艺上，为了解决寄生的闩锁效应，首先在P+衬底上外延生长一层中等掺杂的N缓冲层，并且N缓冲层的掺杂浓度约为1×10¹³。由于在外加反向偏压时，漂移区的电场会穿透N缓冲层，电场在纵向上的分布呈现梯形状。

由于PT-IGBT的漂移区是通过外延的方法制作，因此漂移区的厚度无法做得很厚，这就导致器件的耐压能力有限。此外，由于P+集电区的掺杂浓度很高，导致集电结的注入效率过高，器件的开关特性不能满足高端变频家电的使用需求。

另外一种是NPT-IGBT。相比于PT-IGBT，NPT-IGBT的漂移区通过本底掺杂而实现，厚度占整个器件厚度的70％以上，且没有采用N缓冲层。同时NPT-IGBT的P+集电区的厚度降到了小于器件总厚度的20％以下。此外，背部的P+集电区是通过离子注入的方法形成，集电区的掺杂浓度控制在约为1×10¹⁴的水平，从而降低集电结的注入效率。

由于NPT-IGBT未采用缓冲层，因此在器件工作在阻断状态时，纵向电场呈现三角形分布，这就要求漂移区的厚度要更厚，但是这就会导致正向导通压降升高。

第三种是FS-IGBT。FS-IGBT是在NPT-IGBT的基础上增加了FS层用于截至电场，使得纵向电场的形状由三角形变为梯形，这是吸收了PT-IGBT的优点，使器件的厚度得到显著地降低。在相同耐压的情况下，FS-IGBT的厚度约为PT-IGBT的三分之一。与PT-IGBT中缓冲层不同的是，FS的作用仅限于截至电场，而缓冲层还有降低集电结注入效率的任务。因此，FS层的浓度要低于缓冲层的浓度。

由于FS-IGBT天然存在JFET区，这一区域会导致IGBT的导通压降较大。

第四种是Trench IGBT。为了解决FS-IGBT固有的缺陷，槽栅结构被运用到FS-IGBT中。槽栅结构通过将JFET区刻蚀掉，降低了IGBT的导通压降。

由于Trench IGBT槽栅结构也存在着沟道密度大、饱和电流大等缺点，可以通过采用宽元胞设计、Dummy结构来进一步解决。但是元胞设计尺寸以及Dummy结构的比例应该如何设计，是目前Trench IGBT性能改善的技术瓶颈之一。