CN116994954B - 一种igbt沟槽栅的排布方法及排布结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种IGBT沟槽栅的排布方法及排布结构，属于半导体器件技术领域。一种IGBT沟槽栅的排布方法，包括以下步骤：S1、明确设计目标，S2、材料和技术选择，S3、栅极设计，S4、绝缘层设计，S5、采用非常规排布模式，S6、热管理。该方法中，采用非常规排布模式中的旋转排布，即将栅极和沟槽排布成旋转的方式，以改变电流路径的方向，有助于改善电流分布，降低热点温度，且在散热结构上，散热管以旋转形式适应栅极和沟槽的排布，有助于适应改变后的热量分布，同时也更加有助于热量的快速传导和散热，此外在栅极以及绝缘层控制上引用智能控制系统，并结合神经网络学习模型，优化器件的性能，提高设备的效率，从而降低自身工作时产生的温度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，更具体地说，涉及一种IGBT沟槽栅的排布方法及排布结构。
背景技术
IGBT，英文名全称为：Insulated Gate Bipolar Transistor，即绝缘栅双极型晶体管，绝缘栅双极型晶体管是一种高性能功率半导体器件，它结合了MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）和晶体管（Bipolar Transistor）的特性，在结构上绝缘栅双极型晶体管器件通常由N型绝缘栅极（N-IGBT）和P型绝缘栅极（P-IGBT）组成，这两种类型的栅极之间夹杂着N+嵌入层和P+嵌入层，形成一个PNPN结构，类似于双极晶体管（BJT）的结构。绝缘栅双极型晶体管能够处理高电压和高电流，同时具有高开通速度和低导通电压损失，故而绝缘栅双极型晶体管广泛用于功率电子应用，包括电机驱动、电力逆变器、电源供应、磁悬浮列车、电动汽车、风能以及太阳能发电领域。
由于绝缘栅双极型晶体管是结合了MOSFET和BJT的产物，因此绝缘栅双极型晶体管具有许多优点，包括高电流承受能力、低导通电压损失、易于控制、高开通速度、低功耗和可靠性高，这些特点使其成为功率电子转换器中的关键组成部分，而绝缘栅双极型晶体管自身器件是存在有热效应现象的，常见的绝缘栅双极型晶体管大多都需要进行适当的散热设计，以提高散热效率和电流效能，但是由于现有设计中绝大多数绝缘栅双极型晶体管结构上都采用平面栅栏或是沟槽栅栏，导致设计的散热结构与绝缘栅双极型晶体管的排布形式相对单一，且散热元件的数量也受到限制，使得绝缘栅双极型晶体管的热点温度控制得不到进一步提高，自然会影响绝缘栅双极型晶体管的整体效能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种IGBT沟槽栅的排布方法及排布结构，以解决上述背景技术中提出的问题：由于绝缘栅双极型晶体管是结合了MOSFET和BJT的产物，因此绝缘栅双极型晶体管具有许多优点，包括高电流承受能力、低导通电压损失、易于控制、高开通速度、低功耗和可靠性高，这些特点使其成为功率电子转换器中的关键组成部分，而绝缘栅双极型晶体管自身器件是存在有热效应现象的，常见的绝缘栅双极型晶体管大多都需要进行适当的散热设计，以提高散热效率，但是由于现有设计中绝大多数绝缘栅双极型晶体管结构上都采用平面栅栏或是沟槽栅栏，导致设计的散热结构与绝缘栅双极型晶体管的排布形式相对单一，且散热元件的数量也受到限制，使得绝缘栅双极型晶体管的热点温度控制得不到进一步提高，自然会影响绝缘栅双极型晶体管的整体效能。
一种IGBT沟槽栅的排布方法，包括以下步骤：
S1、材料和技术选择：考虑选取材料，包括氮化硅，以提高性能和工作温度范围，采用新的制程技术，包括微纳米制造技术，以实现更小尺寸的IGBT；
氮化硅：氮化硅通过硅粉末与氮气进行化学气相沉积；
微纳米制造技术：选取微纳米制造技术用于制作氧化锌纳米颗粒；
S2、栅极设计：优化栅极形状、厚度、材料和涂层，以及引入智能控制系统；
栅极厚度优化：根据实际需求使用电子设计自动化工具（EDA工具）进行仿真和建模，用于帮助确定最佳的栅极厚度，用于减小电阻损耗，提高器件的性能；
防击穿测试：设计一个具有所需栅极厚度的小型测试结构，对于确定厚度的栅极进行防击穿测试，通过防击穿测试，确定栅极厚度是否足够防止击穿，从而保证器件在高电压操作下的可靠性；
栅极材料：通过氮化硅薄膜沉积，制造具有纳米级精度的栅极，从而提高性能；
栅极涂层：采用二氧化铌，以提高电容和电场控制性能；
智能栅极控制：通过引入神经网络学习模型训练建立控制系统，安装好传感器，通过传感器收集实时数据，并将传感器数据传输到控制系统，控制系统根据实时数据调整栅极参数，包括栅极电压、栅极电流和栅极脉冲宽度，智能栅极控制可以帮助优化器件的性能，并在不同工作条件下保持电流和电场的合理分布，从而提高设备的效率；
S3、绝缘层设计：在材料上采用氮化硅替代氧化硅，在涂层上选择涂覆氧化锌纳米颗粒纳米材料，以提高电场控制性能和减小电容，且利用能控制系统进行实时调整绝缘性能，以最佳方式管理电场和电容具体；
S4、采用非常规排布模式：设计旋转排布，将栅极和沟槽排布成旋转的方式，以改变电流路径的方向，降低热点温度；
确定旋转角度：确定要采用的旋转角度，定为90°间隔；
栅极排布：将栅极排布以旋转的方式，使电流路径改变方向；
沟槽排布：根据旋转排布的要求对沟槽的排布进行调整；
S5、热管理：采用热管理形式的液冷散热技术，降低热点温度，延长设备的寿命；
散热材料：选择碳纳米管，并将碳纳米管在散热管中，以提高传热效率；
液冷散热技术：使用液体冷却剂，通过结合了碳纳米管的散热管吸收和移走热量；
热管理系统：建立热管理系统，并根据IGBT器件温度和工作负载实时调整液冷流速，以最大程度地提高散热效率；
结构设计：将散热管以旋转形式适应栅极和沟槽的排布，适应改变后的热量分布，同时也更加有助于热量的快速传导和散热。
一种IGBT沟槽栅的排布结构，包括栅极，所述栅极附着在栅区，所述栅极以旋转的方式排布，且旋转后的所述栅极两极端分别对应设置有所述沟槽。
优选地，S3还包括如下步骤：
S3-1、智能绝缘层控制：基于建立好的控制系统，实时收集绝缘层的数据，包括温度、电场强度、电流和电压，并根据实时数据和预定的性能指标，自动调整绝缘层性能；
S3-2、实时监控和反馈：利用控制系统不断监控器件的性能和工作条件，并与预定的性能指标进行比较；
S3-3、反馈环路设计：将实时监测到的数据反馈到控制系统，以便根据实际情况进行调整；
优选地，S4还包括如下步骤：
S4-1、绝缘层设计：根据栅极与沟槽的旋转排布方式，调整绝缘层的形状和厚度。
相比于现有技术，本发明的优点在于：
（1）本发明中，针对栅极和沟槽的排布不同于以往平面栅栏或是沟槽栅栏，采用非常规排布模式中的旋转排布，即将栅极和沟槽排布成旋转的方式，以改变电流路径的方向，有助于改善电流分布，降低热点温度。
（2）本发明中，在散热结构上，首先是引入热管理并采用液冷散热，且散热管结合碳纳米管，提高传热效率，其次使得散热结构与绝缘栅双极型晶体管的排布形式不在单一，散热管以旋转形式适应栅极和沟槽的排布，有助于适应改变后的热量分布，同时也更加有助于热量的快速传导和散热。
（3）本发明中，在栅极控制以及绝缘层控制上引用智能控制系统，并结合神经网络学习模型，根据采集的实时数据调整栅极参数以及绝缘层参数，帮助优化器件的性能，并在不同工作条件下保持电流和电场的合理分布，从而提高设备的效率，降低自身工作时产生的温度。
附图说明
图1为本发明的整体方法流程图；
图2为本发明IGBT沟槽栅的排布结构图。
具体实施方式
实施例：请参阅图1和图2，一种IGBT沟槽栅的排布方法，包括以下步骤：
材料和技术选择：考虑选取材料，用于替代氧化硅，包括氮化硅，以提高性能和工作温度范围，采用新的制程技术，包括微纳米制造技术，以实现更小尺寸的IGBT；
栅极设计：优化栅极形状、厚度、材料和涂层，以及引入智能控制系统，根据实时工作条件调整栅极参数，以最佳方式控制电流和电场分布；
绝缘层设计：在材料上采用氮化硅替代氧化硅，在涂层上选择涂覆氧化锌纳米颗粒纳米材料，以提高电场控制性能和减小电容，且利用能控制系统进行实时调整绝缘性能，以最佳方式管理电场和电容具体。
在本实施例中：
氮化硅：氮化硅通过高纯度的硅粉末与高纯度的氮气在高温下进行化学气相沉积，氮气通常用于提供氮元素，硅粉末则提供硅元素，热处理可以改善氮化硅的晶体结构、硬度和稳定性，进一步提高其性能；
微纳米制造技术：微纳米制造技术用于制作氧化锌纳米颗粒，在制作氧化锌纳米颗粒过程中，要确保所选用的氧化锌粉末具有高纯度，同时需要去离子水（DI水），以用于制备溶液，之后将氧化锌粉末加入到溶剂中，并使用磁力搅拌器在适当的温度下搅拌，以使氧化锌粉末溶解在溶剂中，且温度控制在60°C至80°C范围内，且为了控制纳米颗粒的形状和分散性，需要添加聚乙烯吡咯烷酮（PVP）表面活性剂，完成反应后，过多次洗涤和离心将纳米颗粒从溶液中分离出来，最后，在保持真空气氛下，将分离的氧化锌纳米颗粒进行干燥。
在本实施例中：
栅极形状优化：优化栅极的形状可以改善电场分布和电流均匀性，栅极形状采用非常规形状，以最大程度地减小电流密度不均匀性；
栅极厚度优化：调整栅极的厚度可以影响栅极电阻，更薄的栅极可以减小电阻，提高器件的性能，但是栅极的厚度受实际需求限制，根据实际需求使用电子设计自动化工具（EDA工具）进行仿真和建模，用于帮助确定最佳的栅极厚度，且针对栅极厚度选择上需要用到电子设计自动化工具（EDA工具）进行反复测试，提高测试数据的准确性，用于减小电阻损耗，提高器件的性能；
防击穿测试：设计一个具有所需栅极厚度的小型测试结构，对于确定厚度的栅极进行防击穿测试，这个结构通常包括栅极、绝缘层和基底，且测试结构该包含电场测量点以监测电场分布，将测试结构连接到高电压发生器，并施加高电压，逐渐增加电场强度，直到发生击穿。在逐渐增加电场强度的过程中，记录电流、电压和电场强度参数的变化，当发生击穿时，记录此时的电场强度和电压，使用记录的数据来确定该厚度下的栅极的击穿电场强度，通过防击穿测试，确定栅极厚度是否足够防止击穿，从而保证器件在高电压操作下的可靠性；
在本实施例中：
栅极材料：通过氮化硅薄膜沉积，制造具有纳米级精度的栅极，从而提高性能；
栅极涂层：采用二氧化铌，以提高电容和电场控制性能；
智能栅极控制：通过引入神经网络学习模型训练建立控制系统，安装好传感器，通过传感器收集实时数据，并将传感器数据传输到控制系统，控制系统根据实时数据调整栅极参数，包括栅极电压、栅极电流和栅极脉冲宽度，其中传感器包括温度传感器、电场传感器、电流传感器和电压传感器，故而实时数据包括温度、电场强度、电流和电压，而调整栅极参数的方式包括增加或减少栅极电流，改变栅极脉冲宽度或频率，以及改变栅极电压，智能栅极控制可以帮助优化器件的性能，并在不同工作条件下保持电流和电场的合理分布，从而提高设备的效率；
在本实施例中：
智能绝缘层控制：基于建立好的控制系统，实时收集绝缘层的数据，包括温度、电场强度、电流和电压，并根据实时数据和预定的性能指标，自动调整绝缘层性能，其中调整绝缘层性能的方式包括改变绝缘材料的性质、改变绝缘层厚度或引入绝缘层修饰材料；
实时监控和反馈：利用控制系统不断监控器件的性能和工作条件，并与预定的性能指标进行比较；
反馈环路设计：将实时监测到的数据反馈到控制系统，以便根据实际情况进行调整，智能绝缘层控制系统可以帮助优化器件的性能，并在不同工作条件下管理电场和电容以保持最佳性能。
具体的，栅极材料和绝缘层材料选择为氮化硅，且栅极涂层采用二氧化铌，而绝缘层涂层选择涂覆氧化锌纳米颗粒纳米材料，之后对栅极厚度进行优化，并通过防击穿测试确定栅极厚度是否足够防止击穿，从而保证器件在高电压操作下的可靠性，在栅极控制以及绝缘层控制上引用智能控制系统，并结合神经网络学习模型，安装好温度传感器、电场传感器、电流传感器和电压传感器，通过传感器收集实时数据，包括温度、电场强度、电流和电压，控制系统根据采集的实时数据调整栅极参数以及绝缘层参数，调整栅极参数的方式包括，增加或减少栅极电流，改变栅极脉冲宽度或频率，以及改变栅极电压，而调整绝缘层性能的方式包括改变绝缘材料的性质、改变绝缘层厚度或引入绝缘层修饰材料，从而提高设备的效率，降低自身工作时产生的温度。
在本实施例中：
采用非常规排布模式：设计旋转排布，将栅极和沟槽排布成旋转的方式，以改变电流路径的方向，降低热点温度；
确定旋转角度：确定要采用的旋转角度，定为90°间隔，旋转角度可以根据器件的几何形状和热分布需求来选择；
栅极排布：将栅极排布以旋转的方式，使电流路径改变方向，这可以通过调整栅极的位置和方向来实现；
沟槽排布：根据旋转排布的要求对沟槽的排布进行调整，确保沟槽与旋转后的栅极排布相匹配，以维持电流路径的连续性；
绝缘层设计：根据栅极与沟槽的旋转排布方式，调整绝缘层的形状和厚度，通过旋转排布栅极和沟槽，可以改变电流路径的方向，减小热点温度，提高器件的性能和可靠性。
具体的，首先将旋转角度定为90°，接着将栅极排布以旋转的方式，使电流路径改变方向，并考虑在不同方向上交替排列栅极，以确保电流均匀分布并减小热点效应，而沟槽的排布也应根据旋转排布的要求进行调整，确保沟槽与旋转后的栅极排布相匹配，以维持电流路径的连续性，并相应调整沟槽的宽度和深度，之后调整绝缘层的形状和厚度，以适应旋转排布，以及调整好热管理中散热管的分布结构，最后使用电子设计自动化工具（EDA工具）进行模拟和仿真，以评估旋转排布对器件性能的影响，并通过仿真分析，可以优化旋转排布并验证其性能，在实际制造之前，对旋转排布的器件进行测试和验证，以确保其性能和热管理满足设计要求即可。
在本实施例中：
热管理：采用热管理形式的液冷散热技术，降低热点温度，延长设备的寿命。
散热材料：选择碳纳米管，并将碳纳米管在散热管中，以提高传热效率；
液冷散热技术：使用液体冷却剂，通过结合了碳纳米管的散热管吸收和移走热量；
热管理系统：建立热管理系统，并根据IGBT器件温度和工作负载实时调整液冷流速，以最大程度地提高散热效率；
结构设计：将散热管以旋转形式适应栅极和沟槽的排布，有助于适应改变后的热量分布，同时也更加有助于热量的快速传导和散热。
一种IGBT沟槽栅的排布结构，包括栅极，栅极附着在栅区，该栅区为器件的控制区，栅极以旋转的方式排布，且旋转后的栅极两极端分别对应设置有沟槽。
具体的，散热管采用碳纳米管制成，确定使用液冷散热方式进行散热处理，之后建立热管理系统，将散热管以旋转形式适应栅极和沟槽的排布，而在实际使用中根据绝缘栅双极型晶体管器件温度和工作负载实时调整液冷流速，以最大程度地提高散热效率。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种IGBT沟槽栅的排布方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、材料和技术选择：采用氮化硅材料，采用微纳米制造技术；
氮化硅：氮化硅通过硅粉末与氮气进行化学气相沉积；
微纳米制造技术：选取微纳米制造技术用于制作氧化锌纳米颗粒；
S2、栅极设计：优化栅极形状、厚度、材料和涂层，以及引入智能控制系统；
栅极厚度优化：根据实际需求使用EDA工具进行仿真和建模，用于帮助确定最佳的栅极厚度；
防击穿测试：设计一个具有所需栅极厚度的小型测试结构，对于确定厚度的栅极进行防击穿测试；
栅极材料：通过氮化硅薄膜沉积，制造具有纳米级精度的栅极；
栅极涂层：采用二氧化铌；
智能栅极控制：通过引入神经网络学习模型训练建立控制系统，安装好传感器，通过传感器收集实时数据，并将传感器数据传输到控制系统，控制系统根据实时数据调整栅极电压、栅极电流和栅极脉冲宽度；
S3、绝缘层设计：在材料上采用氮化硅替代氧化硅，在涂层上选择涂覆氧化锌纳米颗粒纳米材料；
S4、采用非常规排布模式：设计旋转排布，将栅极和沟槽排布成旋转的方式；
确定旋转角度：确定要采用的旋转角度，定为90°间隔；
栅极排布：将栅极排布以旋转的方式，使电流路径改变方向；
沟槽排布：根据旋转排布的要求对沟槽的排布进行调整；
S5、热管理：采用热管理形式的液冷散热技术；
散热材料：选择碳纳米管，并将碳纳米管设置在散热管中；
液冷散热技术：使用液体冷却剂，通过结合了碳纳米管的散热管吸收和移走热量；
热管理系统：建立热管理系统，并根据IGBT器件温度和工作负载实时调整液冷流速；
结构设计：将散热管以旋转形式适应栅极和沟槽的排布。
2.根据权利要求1所述的一种IGBT沟槽栅的排布方法，其特征在于，S3还包括如下步骤：
S3-1、智能绝缘层控制：基于建立好的控制系统，实时收集绝缘层的数据，包括温度、电场强度、电流和电压，并根据实时数据和预定的性能指标，自动调整绝缘层性能；
S3-2、实时监控和反馈：利用控制系统不断监控器件的性能和工作条件，并与预定的性能指标进行比较；
S3-3、反馈环路设计：将实时监测到的数据反馈到控制系统，以便根据实际情况进行调整。
3.根据权利要求1的所述一种IGBT沟槽栅的排布方法，其特征在于，S4还包括如下步骤：
S4-1、绝缘层设计：根据栅极与沟槽的旋转排布方式，调整绝缘层的形状和厚度。
4.一种IGBT沟槽栅的排布结构，涉及权利要求1-3任意一项所述的一种IGBT沟槽栅的排布方法，其特征在于：包括栅极，所述栅极附着在栅区，所述栅极以旋转的方式排布，且旋转后的所述栅极两极端分别对应设置有所述沟槽。
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