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为了满足现代社会不断增长的能源需求以及顺应当下节能减排的发展方向，能够提高电能传输和利用效率的电力电子技术成为提高国民生活水平和保障国家安全的重要支撑技术。这给作为电力电子技术基础的功率半导体器件也带来了新的挑战和发展机遇。绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是当下最重要的功率半导体器件之一，其兼具场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)的高工作频率和双极结型晶体管(BipalorJuntion Transistor，BJT)的低导通压降等优点，使其广泛应用于众多工作场景中。在高压应用领域，有着良好开关特性的IGBT正逐步占据晶闸管的应用范围，但是这也对IGBT的电学性能提出了新的要求。
针对当下高压MOS控制功率器件的研究热点，作者在电子科技大学陈星弼教授和林媛教授的指导下，通过阅读大量文献，围绕优化IGBT的开启特性以及导通压降与关断损耗之间的折衷关系两个方面开展了一系列研究。本文的主要创新工作包括：
1.提出一种新型钳位浮空P-well区的IGBT。通过理论分析具有浮空P-well区IGBT的开启过程，发现降低浮空P-well区电位可以有效优化IGBT的开启特性。基于此分析提出在器件表面集成多晶硅二极管钳位P-well区电位的IGBT，通过将浮空P-well区与器件发射极相连，使浮空P-well区钳位在低电位上，极大地减小了器件开启时由于浮空P-well区电位过高而产生的对栅极充电的过大位移电流，提高了栅电阻对器件|dVCE/dt|和dICE/dt的控制力，进而优化了IGBT在电磁干扰噪声与开启损耗EON之间的折衷关系。与传统具有浮空P-well区的IGBT相比，在相同EON的条件下，新型IGBT的|dVCE/dt|减小了37.5%，dICE/dt减小了89.1%。此外，由于在关断时引入了额外的空穴抽取路径，新型IGBT的关断损耗EOFF也减小了约57.2%。
2.提出一种引入深槽电荷和自偏置PMOS的IGBT，其也可以被称为具有自偏置PMOS的沟槽屏蔽平面栅IGBT(Trench Shielded Planar Gate IGBT，TSPG-IGBT)。通过理论分析载流子存储层对器件特性的影响，发现提高载流子存储层的掺杂浓度可以获得更好的导通压降VON和关断损耗EOFF之间的折衷关系。基于此分析，提出通过PMOS钳位和引入深槽负电荷以限制器件中NMOS本征漏极电位的新型IGBT。新型TSPG-IGBT的载流子存储层N-CS区在阻断态不会全部耗尽，因此在阻断特性不退化的条件下，N-CS区可以进行更高浓度的掺杂以获得更好的VON-EOFF折衷关系。N-CS区被钳位在低电位不仅降低了饱和电流密度，也降低了槽栅氧化层在器件阻断态下所承受的电压。因此，新型TSPG-IGBT可以在传统TSPG-IGBT的基础上减薄槽栅氧化层厚度以提高深槽电荷的平衡效果。并且，使引入的深槽负电荷在能够明显降低器件的饱和电流密度的同时却几乎不会损害导通压降。相比于相同耐压等级的传统TSPG-IGBT，在相同关断损耗EOFF条件下，新型TSPG-IGBT的导通压降VON下降了0.3V。此外，新型TSPG-IGBT的饱和电流密度也下降了24%，使其短路安全工作时间提高到了传统TSPG-IGBT的1.75倍。
3.提出一种单栅可控的集成ETO(Emitter Turn-Off thyristor )。集成ETO(Integrated ETO，IETO)同样也是一种MOS控制晶闸管。但是，与外置MOSFET的传统ETO不同，IETO的控制MOSFET集成在器件内部并且使IETO只需有一个控制栅，因而获得了和IGBT相同的开关可控性。通过集成控制栅的钳位作用，新型IETO的载流子存储层掺杂浓度可以大幅度提高，获得了更好的VON-EOFF折衷关系。与具有载流子存储层的槽栅双极型晶体管(Carrier Stored Trench-gate Bipolar Transistor，CSTBT)相比，在相同EOFF的条件下，新型IETO的VON降低了0.12V；在相同VON条件下，EOFF下降了51.1%，并且同时其饱和电流密度也下降了12.2%。
4.提出一种具有嵌入式栅的全屏蔽IGBT(Shielded IGBT，SIGBT)。SIGBT的载流子存储层N-CS区完全被P-layer区包围，解决了大集电极电压条件下具有钳位二极管的CSTBT(Diode-Clamped CSTBT，DC-CSTBT)中P-layer区横向耗尽导致对N-CS区电位钳位失效的问题。SIGBT的N-CS区电位在大集电极电压下也能够稳固钳位在低电位，使N-CS区的掺杂浓度可以大幅度提高以获得了更好的VON-EOFF折衷关系。SIGBT通过嵌入式栅在器件开启时产生的电流脉冲触发寄生晶闸管闩锁。与传统CSTBT和DC-CSTBT相比，在相同VON条件下，SIGBT的关断损耗EOFF分别降低了85.6%和81.7%。另外，SIGBT的饱和电流密度与具有相同VON的传统CSTBT相比也下降了31.2%。
针对当下高压MOS控制功率器件的研究热点，作者在电子科技大学陈星弼教授和林媛教授的指导下，通过阅读大量文献，围绕优化IGBT的开启特性以及导通压降与关断损耗之间的折衷关系两个方面开展了一系列研究。本文的主要创新工作包括：
1.提出一种新型钳位浮空P-well区的IGBT。通过理论分析具有浮空P-well区IGBT的开启过程，发现降低浮空P-well区电位可以有效优化IGBT的开启特性。基于此分析提出在器件表面集成多晶硅二极管钳位P-well区电位的IGBT，通过将浮空P-well区与器件发射极相连，使浮空P-well区钳位在低电位上，极大地减小了器件开启时由于浮空P-well区电位过高而产生的对栅极充电的过大位移电流，提高了栅电阻对器件|dVCE/dt|和dICE/dt的控制力，进而优化了IGBT在电磁干扰噪声与开启损耗EON之间的折衷关系。与传统具有浮空P-well区的IGBT相比，在相同EON的条件下，新型IGBT的|dVCE/dt|减小了37.5%，dICE/dt减小了89.1%。此外，由于在关断时引入了额外的空穴抽取路径，新型IGBT的关断损耗EOFF也减小了约57.2%。
2.提出一种引入深槽电荷和自偏置PMOS的IGBT，其也可以被称为具有自偏置PMOS的沟槽屏蔽平面栅IGBT(Trench Shielded Planar Gate IGBT，TSPG-IGBT)。通过理论分析载流子存储层对器件特性的影响，发现提高载流子存储层的掺杂浓度可以获得更好的导通压降VON和关断损耗EOFF之间的折衷关系。基于此分析，提出通过PMOS钳位和引入深槽负电荷以限制器件中NMOS本征漏极电位的新型IGBT。新型TSPG-IGBT的载流子存储层N-CS区在阻断态不会全部耗尽，因此在阻断特性不退化的条件下，N-CS区可以进行更高浓度的掺杂以获得更好的VON-EOFF折衷关系。N-CS区被钳位在低电位不仅降低了饱和电流密度，也降低了槽栅氧化层在器件阻断态下所承受的电压。因此，新型TSPG-IGBT可以在传统TSPG-IGBT的基础上减薄槽栅氧化层厚度以提高深槽电荷的平衡效果。并且，使引入的深槽负电荷在能够明显降低器件的饱和电流密度的同时却几乎不会损害导通压降。相比于相同耐压等级的传统TSPG-IGBT，在相同关断损耗EOFF条件下，新型TSPG-IGBT的导通压降VON下降了0.3V。此外，新型TSPG-IGBT的饱和电流密度也下降了24%，使其短路安全工作时间提高到了传统TSPG-IGBT的1.75倍。
3.提出一种单栅可控的集成ETO(Emitter Turn-Off thyristor )。集成ETO(Integrated ETO，IETO)同样也是一种MOS控制晶闸管。但是，与外置MOSFET的传统ETO不同，IETO的控制MOSFET集成在器件内部并且使IETO只需有一个控制栅，因而获得了和IGBT相同的开关可控性。通过集成控制栅的钳位作用，新型IETO的载流子存储层掺杂浓度可以大幅度提高，获得了更好的VON-EOFF折衷关系。与具有载流子存储层的槽栅双极型晶体管(Carrier Stored Trench-gate Bipolar Transistor，CSTBT)相比，在相同EOFF的条件下，新型IETO的VON降低了0.12V；在相同VON条件下，EOFF下降了51.1%，并且同时其饱和电流密度也下降了12.2%。
4.提出一种具有嵌入式栅的全屏蔽IGBT(Shielded IGBT，SIGBT)。SIGBT的载流子存储层N-CS区完全被P-layer区包围，解决了大集电极电压条件下具有钳位二极管的CSTBT(Diode-Clamped CSTBT，DC-CSTBT)中P-layer区横向耗尽导致对N-CS区电位钳位失效的问题。SIGBT的N-CS区电位在大集电极电压下也能够稳固钳位在低电位，使N-CS区的掺杂浓度可以大幅度提高以获得了更好的VON-EOFF折衷关系。SIGBT通过嵌入式栅在器件开启时产生的电流脉冲触发寄生晶闸管闩锁。与传统CSTBT和DC-CSTBT相比，在相同VON条件下，SIGBT的关断损耗EOFF分别降低了85.6%和81.7%。另外，SIGBT的饱和电流密度与具有相同VON的传统CSTBT相比也下降了31.2%。