近几年，“节能减排”和“新能源开发”已经成为了我国经济长期发展的方向，在我国新能源产业的持续推动下，电子器件技术迅速地发展为转型绿色经济、促进产业稳定发展的重要支持技术之一。

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种电压驱动式复合全控型功率半导体器件，是普遍认为的的电力电子技术第三次革命的重要产品，具有高频率、高电压、大电流，易切换等优良性能，被称为功率变流装置的“CPU”。IGBT作为一种通过高效转换提供高质量电能的重要技术，实现了节能、环保，提高了人的民生活质量。功率半导体器件已经成为弱电控制与强电运行相结合的中枢，信息技术与先进制造技术相融合的关键和进行智能升级的核心技术，属于关键的技术领域。

本文重点介绍了IGBT器件的研发背景和工作原理，以及影响器件电学特性的重要参数，研究了IGBT器件结构、制造工艺以及性能指标，主要使用TCAD仿真工具中的Athena进行工艺流程仿真，Atlas进行电学特性仿真，对其性能进行研究，分析仿真所得电学参数，提出优化方案，设计一款高性能IGBT器件。

第1章　绪  论........................................................................................ 1

1.1 论文研究的意义...................................................................................... 1

1.2 国内外发展状况...................................................................................... 1

1.3实验预期目标.......................................................................................... 3

第2章　关键技术介绍............................................................................ 4

2.1IGBT的器件类型..................................................................................... 4

2.2IGBT的器件结构..................................................................................... 5

2.3IGBT的工作原理..................................................................................... 6

2.4IGBT的特性............................................................................................. 7

2.4.1 IGBT静态特性......................................................................................................... 7

2.4.2 IGBT动态特性......................................................................................................... 9

2.5IGBT的击穿机理.................................................................................... 10

2.5.1 热击穿.................................................................................................................... 10

2.5.2 隧道击穿................................................................................................................ 10

2.5.3 雪崩击穿................................................................................................................ 10

第3章　IGBT的设计............................................................................ 11

3.1 IGBT性能的主要影响因素.................................................................... 11

3.2 IGBT的主要参数................................................................................... 11

3.3 IGBT的主要参数设计........................................................................... 12

3.3.1 栅氧化层的设计.................................................................................................... 12

3.3.2 N阱的设计............................................................................................................. 12

3.3.3 P阱参数的设计...................................................................................................... 12

3.3.4 其他工艺参数........................................................................................................ 12

第4章　工艺仿真.................................................................................. 13

4.1 仿真软件................................................................................................ 13

4.2 工艺流程................................................................................................ 13

4.2.1 衬底初始化............................................................................................................ 13

4.2.2 N-外延层................................................................................................................. 14

4.2.4 淀积栅氧和多晶硅................................................................................................ 15

4.2.5 离子注入P阱........................................................................................................ 16

4.2.6 离子注入N+发射极.............................................................................................. 17

4.2.6 淀积铝、刻蚀掉不必要的铝................................................................................ 18

4.2.7 电极的定义............................................................................................................ 18

第5章　特性分析.................................................................................. 20

5.1 NPT型IGBT输出特性曲线的仿真....................................................... 20

5.2 NPT型IGBT的阈值电压的仿真........................................................... 21

5.3 NPT型IGBT的击穿特性的仿真........................................................... 23

第6章　结　论....................................................................................... 25

IGBT之所以能有优良的特性，与它的特殊的器件结构密不可分。IGBT的基本结构如图所示。直观来看，它与VDMOS场效应晶体管的基本结构非常相似，但它们之间存在着根本的区别，即衬底类型的不同。IGBT的衬底是用P型衬底取代VDMOS场效应晶体管的N型衬底，从而在IGBT的高阻区和衬底中间引入了一个PN结，使得器件的基本工作原理会不同于VDMOS。

NPT型IGBT工作原理如图所示。为了让IGBT导通，需要在栅极电压加大于栅极电压的V_T，使得自由电子能够从P+区向栅极处流动，并在栅极 下方P+区的外层形成一处空间电荷区，就是MOS场效应管出现的N型沟道，能为电子提供从源区到N-基区的通道。如果此的IGBT的发射极-集电极之间的电压V_AC是正偏的，即IGBT是正向偏置，那么其中的PNP晶体管的射基结正向偏置，空穴就从发射区移动到N-基区。部分过剩少数载流子空穴（注入到基区的 空穴被称为“过剩少子”）通过漂移或者扩散越过基区，然而剩下的那一部分过剩少数载流子空穴与过剩多数载流子电子产生复合，保持了基区的电中性。一部分由MOS场效应管的基极电流所提供的过剩多数载流子电子通过漂移或者扩散移动至发射区，另一部分的过剩多数载流子电子与基区的过剩少数载流子空穴复合。V_AC越增大，运动到基区的过剩少数载流子空穴和基区本身的掺杂浓度差就越大，电导调制效应由此产生，就是减小了基区的电阻，也会使得IGBT的通态压降也随之降低。而且，当IGBT处于正偏时，基集结会处于反偏，从而形成耗尽区。进入基集结的载流子空穴在耗尽区的电场的作用下会被扫入了集电区，从而形成集电极 电流。集电极的电流与基极的电流共同形成阳极的电流I_T。如果IGBT反偏时，即IGBT发射极- 集电极间的电压V_AC是负，射基结反偏时，产生不了电流，那么此时IGBT反向阻断。

如果阈值电压V_T比门极上加的电压更大，也就是IGBT正处于断开模式时，MOS管的导电沟道消失，与此同时基极的电流也会随之消失，最后要使IGBT的阳极电流能突然减少，也就是当导电沟道消失的时侯，基极无法再给基区的空穴提供新的电子来进行复合。基区中过剩的多子电子的数目会通过移动到发射区和过剩少数载流子空穴复合慢慢降低。空穴就继续从发射区再注入基区，一部分会被用来和过剩的电子复合，另一部分则会被扫入集电区，来维持基区的 电中性平衡。由于过剩电子会慢慢减少，阳极的电流缓慢减小，因而形成“拖尾电流”。

IGBT的主要参数

(1)阈值电压Vth，即在集电极电流和电压恒定的条件下施加到栅极和发射极两部分的IGBT传导所需的最小电压，通常为3-6V。

(2)栅极泄漏电流Iges是指当栅极发射极短路时，在栅极-电极之间施加额定电压时获得的栅极电流值。

(3)集电极泄漏电流Ics指的是当额定电压施加在电容和电容之间时，当IGBT在电容和电容之间短路时被阻断时集电极的电流值。

(4)集电极-发射极击穿电压Vbr(ces)是指当G-E短路时，对应于ic和VC特性曲线中集电极电流的VcE值。该电压值决定了IGBT的额定工作电压。

(5)集电极-发射极饱和电压Vce(sat)。对于具有特定值的Vge，当Ice的值达到与Icm值相对应的Vce值时，Vce(sat)的大小决定了其工作范围的大小，也决定了器件开启时导通状态损耗的大小。

(6)根据IGBT开关时间，器件导通和关断时间可分为上升期、下降期、导通时间和关断时间。

(7)最大集电极-发射极电压Vces由IGBT器件内部的PNP结构能够承受的击穿电压决定。

(8)最大集电极电流，包括额定电流Ic值和最大脉冲宽度为1 ms的电流Icp值。

(9)最大集电极功耗Pcm是指器件在常温下能够承受的最大耗散功率。