第五章 元件參數設計、特性模擬與分析
5.1 傳統 LIGBT 結構的模擬與分析
本章節主要是根據先前傳統LIGBT 元件結構上的規劃，在符合耐壓規格的 前提之下，設計出傳統結構的 LIGBT 元件，接著再對元件進行基本特性模擬與 分析，以利於後面章節的比較。在耐壓設計方面，主要是根據第三章由數學方法 估算出來的參數落點範圍，並且藉由模擬使結構參數調整至最佳化，而其中調變 磊晶層的尺寸參數與濃度參數便是首要步驟。以下便對耐壓設計進行說明。
由於LIGBT 元件結構參數太多，我們會先固定某些參數，縮小變動的範圍，
才能觀察出某些參數對於元件特性的影響。通常被固定的結構參數為影響性較小 的參數或製程上已經確定的參數。為了方便對照，我們再把傳統 LIGBT 結構規
劃圖說明一次，如圖 5.1，而其所相對應詳細完整的尺寸參數與濃度參數列於表 5.1 與表 5.2。
圖5.1 LIGBT 模擬結構規劃圖
尺寸參數 數值
Ldrift >55µm調變
Lch 2.5 mµ Tepi 5~15 mµ 調變 Tsub 90 mµ Tpsio 12 mµ Tpb 3 mµ Tnb 3 mµ Tn+ 0.5 mµ Tp+ 0.5 mµ Lova ≥0µm調變 Lovg ≥0µm調變 TFOX 5000 Angstrom
TGOX 500 Angstrom
Width 21.5 mµ 表5.1 LIGBT 尺寸參數表
濃度參數 數值
Breakdown Voltage (V)
圖5.2 所示為漂移區長度對元件崩潰電壓的影響。模擬結果顯示，漂移區長
圖5.3 所示為閘極端電極覆蓋場氧化層（Field Oxide）長度對崩潰電壓影響 的模擬結果，我們定義閘極端電極覆蓋場氧化層長度為Lovg。調變電極覆蓋場氧 化層長度的目標主要是避免閘極端下方N-epi/P-base 接面空乏區電力線擁擠的情
Lovg (μm)
Breakdown Voltage (V)
Psub = 1.78E14 (cm-3) Tepi = 10 (μm) Nepi = 7.7E14 (cm-3) Ldrift = 80 (μm)
況。當閘極端電極覆蓋場氧化層長度較短時，空乏區的曲率較大，電力線較為擁 擠，導致大電場因而提早崩潰。隨著閘極端電極覆蓋場氧化層長度增加至適當長 度時，緩和空乏區曲率使得電力線分布平均，提升崩潰電壓。而上述的現象即為 第二章所提及的場板（Field plate）的效果。觀察模擬結果，當閘極端電極覆蓋 場氧化層長度為2~3 (µm)之間會有最佳效果。因此，此處選擇 Lovg=2.5(µm)作為
Breakdown Voltage (V)
Lova (μm)
Psub = 1.78E14 (cm-3) Tepi = 10 (μm) Nepi = 7.7E14 (cm-3) Ldrift = 80 (μm)
（iv）磊晶層厚度對崩潰電壓的影響
10(µm)與 15(µm)等磊晶層厚度做濃度上的調變，模擬其對崩潰電壓的影響。模 擬結果如圖5.6、圖 5.7 與圖 5.8 所示。
Breakdown Voltage (V)
Tepi (μm)
Psub = 1.78E14 (cm-3) Nepi = 7.7E14 (cm-3) Ldrift = 80 (μm)
0
1.0E+15 1.1E+15 1.2E+15 1.3E+15 1.4E+15 1.5E+15 1.6E+15
圖5.6 磊晶層厚度 5(µm)與崩潰電壓之相關性
5.0E+14 6.0E+14 7.0E+14 7.7E+14 8.0E+14 9.0E+14 1.0E+15
圖5.7 磊晶層厚度 10(µm)與崩潰電壓之相關性
3.0E+14 4.0E+14 5.0E+14 6.0E+14 7.0E+14 8.0E+14 9.0E+14
圖5.8 磊晶層厚度 15(µm)與崩潰電壓之相關性
Breakdown Voltage (V)
Nepi (cm-3)
Nepi (cm-3)
Breakdown Voltage (V) Breakdown Voltage (V)
Nepi (cm-3)
由圖5.6 至圖 5.8 的模擬結果顯示，當磊晶層厚度增加時，其相對應的磊晶 層濃度偏低，而磊晶層厚度減少時，磊晶層濃度便要提高，才有較佳的崩潰電壓 表現。這是因為磊晶層在較厚的情況下，需要較低的磊晶層濃度低，才有機會被 完全空乏，而在磊晶層較薄的情況下，需要較高的磊晶層濃度，才不會被提早空 乏。因此，過低的磊晶層濃度會使得磊晶層提早被空乏，陽極端的接面電場會提 早達臨界電場而產生崩潰。若磊晶層濃度過高時，空乏區便無法延伸整個磊晶 層，造成縱向空乏區對橫向空乏區的增強作用不大，使得閘極下方接面的電場無 法有效被降低，使得崩潰點均落於此接面附近。
綜合模擬結果圖 5.5 至圖 5.8，觀察可以得知，若以磊晶層厚度為 5(µm)作 為基本設計，則崩潰電壓表現稍嫌不夠，以及磊晶層厚度較薄受到製程飄移影響 也較大。磊晶層厚度為 10(µm)以及磊晶層厚度為 15(µm)時，其崩潰電壓均可達 耐壓規格。由於較高的磊晶層濃度有較低的阻值，所以基於導通電阻的考量，為 了盡量避免提高導通電阻，在符合耐壓規格範圍內，我們選擇磊晶層厚度10(µm) 作為基本設計。
（v）磊晶層濃度對崩潰電壓的影響
決定磊晶層厚度之後，我們接著調變磊晶層濃度來觀察濃度對崩潰電壓之影 響。其模擬結果如圖5.9 所示。在磊晶層濃度較低與較高的地方，崩潰電壓大幅 下 降 。 當 磊 晶 層 濃 度 較 高 的 時 候 ， 觀 察 其 崩 潰 點 位 置 ， 均 落 在 閘 極 下 方 N-epi/P-base 接面處，這是因為磊晶層的空乏區不容易延伸，無法有效的降低橫 向表面電場強度，所以在磊晶層還未被完全空乏時，N-epi/P-base 接面電場強度 已經過大而先行崩潰。當磊晶層濃度偏低的時候，其崩潰點轉移至陽極下方 N-buffer/N-epi 接面處，這是因為磊晶層濃度較低時，磊晶層提早被完全空乏，
使得最大電場落於N-buffer/N-epi 接面處而造成崩潰。
0
4.0E+14 5.0E+14 6.0E+14 7.0E+14 7.7E+14 8.0E+14 9.0E+14 1.0E+15
圖5.9 磊晶層濃度與崩潰電壓之相關性
Breakdown Voltage (V)
Nepi (cm-3)
Psub = 1.78E14 (cm-3) Tepi = 10 (μm)
Ldrift = 80 (μm)
2.978
6.0E+14 8.0E+14 1.0E+15 1.2E+15 1.4E+15 1.6E+15 1.8E+15
圖5.10 磊晶層濃度與導通電阻之相關性 On Resistance (mΩ-cm2 )
Nepi (cm-3)
Psub = 1.78E14 (cm-3) Tepi = 10 (μm)
Ldrift = 80 (μm)
On Resistance (mΩ-cm2 )
Tepi (μm)
Psub = 1.78E14 (cm-3) Nepi = 8E1014 (cm-3) Ldrift = 80 (μm)
圖 5.11 所示為磊晶層厚度對導通電阻影響的模擬結果。觀察得知，當磊晶
On Resistance (mΩ-cm2 )
Ldrift (μm)
Psub = 1.78E14 (cm-3) Nepi = 8E1014 (cm-3) Tepi = 10 (μm)
結構參數 數值
Ldrift 80µm
Tepi 10 mµ
Lova 3µm
Lovp 2.5µm
Nepi 7×1014 ~8×1014cm −3 Psub 1.78×1014cm −3
表5.3 LIGBT 設計參數結構表
在確定LIGBT 的結構參數之後，我們設定閘極電壓 VG為0V（關閉閘極電 壓），而元件兩端跨壓為 710V，觀察元件表面電場的分布情況，如圖 5.13 的電 場模擬結果。由模擬結果可以很清楚的看到，元件的表面電場呈現雙峰的形狀，
左邊峰值為 N-buffer/N-epi 的接面電場峰值，右邊峰值 N-epi/P-base 的接面電場 峰值，而兩邊峰值均不超過其各自接面的臨界電場。由模擬圖形可以看出，左邊 的臨界電場小於右邊的臨界電場，這是因為陽極端（左邊）接面的空乏區曲率較 閘極端（右邊）接面大，電力線分布較為擁擠，使得陽極端接面的臨界電場略小 於閘極端的接面電場。其電場積分便是承受電壓的大小，其電位分布模擬結果如 圖5.14 所示。左邊陽極端為最高電位，往右邊隨漂移區長度增加而遞減。圖 5.15 所示為空乏區分布模擬結果，觀察可以發現元件在未崩潰之前，整個磊晶層已經 被完全空乏，達到 RESURF 的效果，因此可以承受高電壓，而虛線部份則為空 乏區分布的分界。
圖5.13 RESURF 現象時的表面電場分布情形
圖5.14 RESURF 現象時元件電位分布情形
圖5.15 RESURF 現象時的空乏區分布情形
5.1.3 元件導通特性模擬與分析
在傳統 LIGBT 元件耐壓方面的設計達成，我們接著模擬元件導通方面的基 本特性與切換特性（關閉特性）。
在導通特性方面，我們設定閘極電壓VG為15V，陽極電壓 VA為5V 的時候，
觀察其臨界電壓Vth的特性，如圖5.16 所示。模擬結果顯示，延伸曲線最大斜率 的切線所近似的閘極電壓定義為 Vth，所以 Vth 值約為 1.7V。由於通道形成與 P-bsae 層的濃度有相關性，當 P-bsae 層濃度較高時，通道反轉不易。所以較高濃 度的P-bsae 層會使 Vth值上升。
圖5.17 為 I-V 特性曲線圖，設定條件為閘極電壓 VG等於15V，導通電流達 某值後會有Snap-back 的現象，這樣因為電流流經 N+陰極下方的區域時，產生足 夠壓降，使寄生的NPN 電晶體導通，並且與 LIGBT 本身的 PNP 電晶體形成正 回授的的效果，造成元件通過大電流而發生閂鎖效應（Latch up）。
圖5.18 則為不同閘極電壓下的 I-V 特性圖。此處設定 VG分別為5V、7.5V、
10V、12.5V 與 15V。由圖中可以看到，當陽極電壓不高時，元件的電流並不大，
但是當偏壓持續升高的時候，電流便會急速上升。這是因為 LIGBT 等效成 MOSFET 與 BJT 的組合，通道由於閘極電壓的關係已經形成，所以當元件處於 低偏壓時，通道便開始導通電流，而此電流用來驅動BJT 的基極（即漂移區），
此時為MOSFET 導通狀態。電流隨著偏壓升高而增大，當電流足夠大至使 P+陽 極/N-epi 接面產生順偏時，大量的電洞便由 P+陽極注入漂移區中，此時 LIGBT 才算導通，而此時的電壓定義為Onset Voltage，記為 Vonset。當陽極對漂移區注 入少數載子時，會對漂移區產生傳導調變的效應，使漂移區原本的高阻值大幅下 降，造成導通電阻也大量的下降，因此，使得元件可以導通大電流。所以從圖中 可以觀察出，當電流急劇上升的時候，便是陽極注入電洞，即 LIGBT 導通的時 候。另外，當閘極電壓VG增加時，對通道形成越有利，所以導通電流也會增加。
圖5.16 傳統 LIGBT 臨界電壓 Vth特性曲線圖
圖5.17 傳統 LIGBT 的 I-V 特性曲線圖
圖5.18 傳統 LIGBT 不同 VG的I-V 特性曲線圖
5.1.4 元件切換特性模擬與分析
在切換特性的方面，我們利用切換電路來模擬切換特性，如圖 5.19（a）所 示。其中VDD 為 20V，Ra為閘極前端的電阻1k，Rb為負載電阻65k，我們從閘 極端輸入波形來觀察陽極端電流的情形。輸入的波形如圖 5.19（b）所示。其中 Td=10µs，Tr=5ps，Tp=100µs，Tf=5ps，Tper=350µs，V1=0V，V2=15V。
由切換電路模擬得到的結果如圖5.20 至圖 5.22，圖 5.20 為閘極端輸入電壓 波形圖。圖 5.21 為元件陽極電流變化情形。觀察電流關閉的部分可以發現會有 延遲的現象。為了更清楚的觀察元件關閉時，陽極端電流的延遲情形，我們對電 流關閉時的部分放大，如圖 5.22 所示。觀察可以發現，在元件關閉的瞬間，電 流會瞬間下降許多，這是因為通道消失的緣故。在此之後，陽極電流便會持續一 段時間，然後才慢慢降低至消失。這是因為 LIGBT 元件在關閉時，內部殘留的 少數載子只能靠複合與擴散的方式慢慢消退，因此在這一段時間內電流下降較為 緩慢，這樣的情況稱為曳尾（Current tail）的效應。
圖5.19（a）切換電路圖（b）閘極電壓輸入波形定義圖
圖5.20 閘極電壓輸入波形圖
圖5.21 陽極端切換電流波形圖
圖5.22 傳統 LIGBT 元件關閉時電流波形圖
整理前面對傳統LIGBT 結構的模擬結果，我們可以歸納成表格 5.4。
BV (V) 710
Ron (mΩ-cm2) 2.90 Turn-off Time (µs) 13.2
Vonset (V) 1.5
表5.4 傳統 LIGBT 結構模擬結果表