北京1013事件以及1013缓冲垫

晨报记者 邱俪华

昨天，浸入式戏剧的巅峰之作 《不眠之夜》（Sleep No More）上海版宣布其拉开亚洲首演大幕。

这部由英国Punchdrunk剧团始创、在观剧方式上作了“革命性颠覆”的作品获奖无数，此前已征服伦敦、波士顿和纽约的观众，美剧《绯闻女孩》有一集就在纽约版的酒店里全程拍摄。《不眠之夜》上海版的诞生，意味着上海也将成为这一艺术和时尚事件的全球地标之一。

上海版由 Punchdrunk 与上海文广演艺集团（SMG Live）联合制作，中英双方制作团队以电影级别的丰富细节，重新创作并融入了1930年代上海的全新素材和布景，力图以独特的戏剧体验俘虏上海观众的想象。这也标志着SMG与静安区人民政府联手打造的国内首个大型文化商业综合体——位于北京西路1013号的尚演谷正式投入运营。

自今年7月开票以来，上海版创造了令人惊叹的销售佳绩，目前60场已全部售罄。“神剧”是如何炼成的？昨天，文广演艺集团总裁钟璟、副总裁马晨骋、Punchdrunk的艺术总监菲利克斯·巴雷特及《不眠之夜》 的联合导演玛克辛·道尔接受记者采访，详细解码。

横扫伦敦波士顿纽约

《不眠之夜》以黑色电影的视角演绎了莎士比亚的经典悲剧《麦克白》。观众们随着自己的步调穿梭在这个史诗般的故事中，自由选择他们想去哪里以及想看什么，每一位观众的体验历程都是独一无二的。

继2003年伦敦版和2009年波士顿版后，与美国剧目剧团联合制作的《不眠之夜》于2011年3月在纽约 McKittrick 酒店开演，共上演了2200多场，获得纽约戏剧委员会奖的独特戏剧体验奖以及奥比奖的设计及编舞特别奖，这一次，静安区一栋废弃大楼的五层楼面被改造为90个充满细节的房间，每场演出将有30位演员用3个小时的表演让故事散布到所有空间。

场景设置在5层楼酒店

《不眠之夜》上海版无论制作体量还是精细程度，都是戏剧作品中十分罕见的。简单讲，这部上海版“同时创造了两个世界——一个是有5层楼酒店规模的宏大剧场，另一个是十分微观的、如同电影场景般真实的细节世界。”

可以看到戏的不仅仅是一个舞台，而是整栋酒店——位于静安区北京西路1013号的麦金侬酒店是专为《不眠之夜》上海版打造的演出空间。制作方耗时十个月，废弃办公楼改造为一个庞大而精致的戏剧世界。观众可以在五层楼面、90个大小房间提供的各种开放式空间和各种狭小甚至幽闭的房间“漫游”，有3000多个抽屉等着你去探索。

上海版制作人马晨骋透露，剧中用到的古董家具，从海外购买的部分在进口时装满了七个集装箱，两千多个品类，而这些家具只占到全剧的二分之一。

要让观众身临其境，感受1930年代的上海风情，体验剧中的幻想世界，制作团队在背景故事上也下足功夫。上海版执行制作人赵晨琳说，“这个项目开始于找到一栋合适的楼，而建筑结构的不同又决定了众多细节有别于纽约等其它版本——从场景、表演到动线，希望能带给上海版的观众更多惊喜。如果你看过纽约版，可能会觉得这是一个似曾相识又带着点陌生感的梦境。”

信封上的地址有据可查

整整5层楼的观演空间之外，酒店里的微观世界也令人惊奇。《不眠之夜》 对道具的精细度要求不仅高于一般舞台美术，堪称达到电影级别的精细度要求。执行制作人陈亮介绍：“在戏剧空间中，陈设不仅应该看上去真实，还应该能够触摸甚至使用，除去购买的道具之外，《不眠之夜》中还有许多道具需要特别制作。”记者注意到，由于剧中许多信件需要人工誊写，工作人员甚至按照旧上海的书信格式和字体，一一进行临摹，“细节到发指”。

在空间设计和道具制作上，制作团队在博物馆、资料馆中查阅历史档案，确保每一处陈设和装置都与故事的时代背景相符合。比如，剧中信封上出现的地址都能在当时的上海地图上可查，信封的设计、写法乃至邮票的形状和邮戳，都有邮政博物馆中的资料可供印证。

浸入式戏剧对于观众体验的塑造，不仅在视觉和听觉上，该剧助理编舞康纳·道尔介绍道：“气味、温度也是能够塑造情绪的，通过这一点给房间赋予人格，使它们在戏剧情境中拥有自己的特性。”

摘要

借助计算机辅助设计技术(TCAD)仿真并结合基础物理建模，对SiCn和p沟道IGBT器件的电学特性进行比较研究。研究表明，在小电流密度下，n-IGBT电导调制效应较强，并具有较低的通态压降。而在较大的正向偏置电压下，p-IGBT背部的n+注入层的正向载流子注入增强，从而使得p-IGBT导通电流较大。相比较npn晶体管而言，由于n-IGBT内部pnp晶体管的电流增益较低，关断过程中载流子的抽取电流较高，耗尽层扩展速度较快，使得其关断时间较短，因而n-IGBT在动态关断能耗和正向导通压降之间具有较好的折中关系。但n-IGBT关断过程中电压变化率(dv/dt)、电流变化率(di/dt)值较高，特别是发生电压穿通现象过后。因此，应对n-IGBT电磁干扰(EMI)抑制的器件设计技术加以重视。

0引言

与Si材料相比，SiC具有宽禁带、高临界击穿电场、高热导率等优势，是发展高压、高温功率半导体器件的一种极具吸引力的半导体材料。尽管SiC双极结晶体管(BJT)已经商业化并被证明能够满足10kV等级以下的应用需求，但在高于10kV等级时，其电导调制效应较弱，难以将通态压降控制在合理的范围内。与SiC晶闸管相比，SiCIGBT结合了高输入阻抗、易于控制的门极和电导调制型漂移层，是特高压应用领域一种极具吸引力的器件。迄今为止，6.5～27kV的SiCIGBT已有实验报道，从而为未来高压功率变换应用提供了较具潜力的候选技术。

SiCIGBT的技术发展早期主要是从p沟道器件开始的，这主要是因为实际中无法获得制备n-IGBT的低电阻率p+型SiC衬底。并且，由于平面栅IGBT有效避免了沟槽栅在正向阻断模式下高氧化层电场的局限性，平面栅IGBT获得了研究人员的更多关注。2006年，第一款平面栅p-IGBT研制成功，其正向耐压为6kV，微分比导通电阻为400mΩ·cm2。此后几年间，p-IGBT的耐压逐渐由10kV提升至20kV，微分比导通电阻则低至12mΩ·cm2。为了提高MOS沟道反型层迁移率，研究人员成功在高压p-IGBT制备流程中引入氧化后退火工艺。与此同时，随着SiC材料技术的不断发展，SiCn-IGBT已有报道。X．K．Wang等人和K．Fukuda等人通过翻转晶片的方式制备了n-IGBT，该器件的MOS结构形成于SiC(0001)碳面上，而结构中的p+注入层则是通过利用n+型衬底外延生长获得。E．vanBrunt等人和S．H．Ｒyu等人通过热氧化工艺对n型外延层进行了载流子寿命增强处理，从而有效增强了n-IGBT在正向导通过程中的电导调制效应。为了进一步降低器件的关断能量损耗而不过多牺牲其他电学特性，研究人员从实验上对元胞的材料和结构参数(缓冲层浓度和厚度等)进行了优化设计。可以预见，未来随着高压SiCIGBT等新兴器件在功率变换系统中的广泛应用，电力电子技术将发生革命性的变化。从具有特定需求的电力电子系统的最优设计来说，不仅系统的整体性能，而且其他设计因素，如无源元件和热管理的设计成本，均取决于电力电子器件的本质特性。然而，除了上述SiCIGBT相关的研究之外，鲜有对n与p两种沟道IGBT的各方面电学性能进行对比的研究。对于这两种沟道SiCIGBT而言，两者的电导调制效应的强弱、安全工作区的宽窄以及开关速度的快慢等均决定着各自实际应用空间的大小，并且，从性能对比上更能发现各自的优势和劣势，从而可为SiCIGBT设计技术未来的发展提供一些参考。

本文通过器件仿真技术对SiCn-IGBT和p-IGBT的静态和动态电学特性进行了全面的对比研究。除了短路安全工作区(SCSOA)和反向偏置安全工作区(ＲBSOA)特性，还在不同温度下对比评估了电压变化率dv/dt、电流变化率di/dt和动态能量损耗等特性，并深入揭示了内在的物理机制。

1器件仿真平台设置

图1为本文仿真所用SiCn-IGBT的截面结构示意图。其中，电流增强层(CEL)掺杂浓度为1×1016cm－3，引入厚度为1μm的CEL可以增强正向导通过程中载流子向结型场效应晶体管(JFET)区的注入作用。n型缓冲层掺杂浓度为1×1017cm－3，厚度为1μm，其可以在正向阻断模式下迅速压缩电场，从而使得耗尽层在缓冲层内有效截止。器件其他结构和材料参数如表1所示。对于p-IGBT而言，其结构、材料参数与表1列出的完全相同，仅掺杂极性与n-IGBT相反。为了便于研究，两种沟道IGBT的有源区面积均设置为1cm2。

为了有效地模拟SiCIGBT的电学特性，首先对用于二维数值模拟的重要物理模型及其参数设置进行了校准。这些物理模型具体包括Shockley-Ｒead-Hall(SＲH)复合模型，电子和空穴载流子的高、低场迁移率模型，能带变窄(BGN)模型，温度依赖能带模型，碰撞电离模型，以及杂质的不完全离化模型等。利用Scharfetter模型将SＲH复合模型的载流子寿命定义为与掺杂浓度和温度相关，而与电场强度相关的碰撞电离系数则通过OkutoCrowell模型进行定义。除此之外，模型参数也包含了SiC材料的基本参数，如电子和空穴的有效质量、介电常数、导带和价带的有效态密度等。更多所用到的关键物理模型参数及其计算公式如表2所示，表中Eg为禁带宽度，T为热力学温度，μp、μn分别为空穴、电子的体迁移率，N为区域掺杂浓度，μsurf，p、μsurf，n分别为空穴、电子的表面迁移率，Esurf，p、Esurf，n分别为空穴、电子的表面电场强度，ED和EA分别为低掺杂浓度下施主和受主的电离能，gv、gc分别为施主和受主杂质的简并因子，Cg和NBGN分别为特征掺杂浓度时的能带变窄量和特征掺杂浓度，τe，h为室温下的n型缓冲层载流子寿命，τ300K和τT分别为室温和高温下的载流子寿命。

2结果与讨论

2.1正向稳态特性

在建立器件模型后，首先仿真了两种沟道IGBT的正向阻断特性，发现两者的耐压均已达到20.5kV左右，接近耐压的理论值。接着对比了两种沟道IGBT的正向I-V特性，图2为SiCn-IGBT与p-IGBT的正向输出特性曲线，图中VGE，max为栅极－发射极之间的最大电压，τDL，300K为室温(300K)下漂移层中的载流子寿命，其中，漂移层和n型缓冲层的载流子寿命分别设置为1.5μs和0.1μs。由图2可以看出，在较低的正向偏置电压下，p-IGBT的导通电流密度低于n-IGBT的，而随着正向偏置电压的增加，n-IGBT更容易受到电流饱和效应的影响，这种现象与两种沟道SiCIGBT结构的特征以及SiC的材料特性有关。由于电子迁移率远高于空穴迁移率，因此，对于两种沟道的SiCIGBT而言，主要导电载流子类型相同。但对于n-IGBT而言，主要导电载流子的电流是流经MOS沟道的电流，其更容易受到MOS沟道饱和效应的影响，其总电流会更容易区域饱和;而对于p-IGBT来说，主要导电载流子的电流是其内部npn晶体管内的电流，而其电流增益会随着偏置电压的增大而不断增加，也因此，p-IGBT在大偏置电压下的通流能力较强。因而两种沟道SiCIGBT的电流大小在不同偏置电压下会出现上述趋势。

BT内的额外载流子浓度分布，其中漂移层载流子寿命由0.5、1、1.5μs增加至2、3、5μs。由图3可以看出，在相同的载流子寿命下，n-IGBT内的少子浓度均比p-IGBT的高。这是由于在小正向偏置电压下，由于p-IGBT内部的p-MOS沟道电阻高而沟道导通压降大，因此用于内部晶体管发射结载流子正向注入的偏置电压小，因而漂移层内额外载流子的浓度低，从而降低了p-IGBT的电导调制效果。而n-IGBT漂移层中所对应的少子为空穴，其迁移率较低，在相同的电流条件下，空穴在漂移层中的浓度梯度较高，因而其所对应的电导调制效应较强。n-IGBT漂移层中更强的电导调制效应大大提高了其通态性能，因此实现了更小的正向导通压降和更低的比导通电阻。并且，由图3还可以看出，提高载流子寿命可进一步增加漂移层内少子的扩散长度，增强少子的正向输运作用，从而可有效增强SiCIGBT正向导通过程中的电导调制效应。图4为在25A·cm－2电流密度下SiCn-IGBT与p-IGBT的导通压降随载流子寿命的变化，图中VGE为栅极－发射极之间的电压。图4也证明了上述分析的正确性。因此，可以得出结论，n-IGBT在小密度的正向电流下具有更低的导通压降。

图5为不同温度下SiCn-IGBT与p-IGBT的饱和电流特性，插图为在低集电极－发射极电压下的饱和电流特性曲线。随着集电极－发射极电压的增大，MOS沟道开始出现夹断现象，但由于IGBT的正向导通特性还取决于其内部寄生BJT的电学特性，由图5可以看出，IGBT的正向导通电流并不总是随着MOS沟道夹断而趋于饱和。随着集电极－发射极电压的增大，两种极性的IGBT内MOS均表现出饱和特性，即n-IGBT内的电子电流和p-IGBT内的空穴电流缓慢上升。由于SiCn-IGBT中p+注入层的离化率较低，随着集电极－发射极电压的增大，n-IGBT背部空穴载流子的正向注入作用很快出现饱和过程，因此其饱和电流密度较低。与n-IGBT截然不同，p-IGBT背部的注入层为n+型半导体材料，相比p+型材料离化程度较高，在较大的偏置电压下内部npn晶体管的增益仍可随着正向偏置电压的增加而不断升高。因而，p-IGBT的导通电流受MOS沟道饱和效应的限制作用稍弱些，其在高偏置电压下的通流能力较强。因此，在饱和区内p-IGBT具有更强的电流导通能力。

2.2安全工作区特性

2.2.1短路安全工作区

当发生短路故障时，IGBT的集电极直接承受直流母线电压VDC而门极保持开通状态，因而器件会消耗大量的能量且温度会快速上升。一旦结温超过临界值TCＲ，器件便发生不可逆转的损坏。IGBT的短路耐受时间tSC，即器件失效前关闭门极导通信号的最长延迟时间可定义为

式中:TC为器件的外壳初始热力学温度;d为芯片厚度;cV为SiC材料的比热容;KT为考虑器件温度不均匀分布的一个系数;JSAT为器件的饱和电流密度。假设其他条件都相同，n-IGBT与p-IGBT的短路耐受时间仅由饱和电流密度决定，即饱和电流越低，则短路耐受时间越长，短路耐受能力就越强。因此，n-IGBT比p-IGBT短路耐受时间更长，具有更宽的SCSOA。

2.2.2反向安全工作区

动态雪崩击穿是双极性器件的基本失效机制之一，本文以n-IGBT为例说明。当n-IGBT内部的pnp晶体管建立基极开路关断过程之后，正向导通过程中的电子从n－漂移层中抽走而形成耗尽层，空穴则在高电场的作用下以饱和漂移速率vsat，p穿过耗尽层到达p基区。而漂移进入耗尽层的额外载流子会与其内的不可移动离子的浓度共同作用，从而增加了电场强度E随深度变化的斜率，进而增加了p基区/n－漂移层pn结处的电场强度。假设在关断过程中，电流在n-IGBT元胞内分布均匀，则n－漂移区耗尽层内的净电荷密度Neff为

式中:ND为n－漂移层掺杂浓度;JCE为集电极电流密度。而Neff所决定的耗尽层内的泊松方程为

式中:x为漂移层中距离p基区/n－漂移层pn结的长度;q为单位电荷量;εs为SiC材料的介电常数。当p基区/n－漂移层pn结的电场强度到达临界值EC时，pnp晶体管内部便发生了动态雪崩击穿。特定电流密度Jth可以表示为

式中dp为n－漂移层厚度。当JCE低于或高于Jth时，动态雪崩击穿起始电压VB，dy分别为

而EC的计算公式为

图6为SiCn-IGBT与p-IGBT动态雪崩开启电压随集电极电流密度的变化。由图6可以看出，在相同的集电极电流密度下，p-IGBT具有更高的动态雪崩开启电压。这是因为对于p型器件，其关断瞬态过程中耗尽层内以饱和速率漂移过去的为电子，而电子具有较高的饱和漂移速率(vsat，n≈1.83×107cm·s－1，vsat，p≈0.86×107cm·s－1)，因此p-IGBT内部npn晶体管耗尽层的净电荷密度较低，在相同电流密度下，其具有更高的动态雪崩开启电压。因此，相较于n-IGBT而言，p-IGBT具有较宽的ＲBSOA。

2.3dv/dt和di/dt特性

图7为不同温度下SiCn-IGBT与p-IGBT关断瞬态的电压与电流波形，其中室温下n－漂移层和n型缓冲层的载流子寿命分别设置为1.5μs和0.1μs。由图7可以看到，n-IGBT的动态关断时间较短。这是由于SiC中p型掺杂剂电离能高，其离化率较低，而pn结正向注入效率低，并且空穴载流子迁移率较低，从而使得n-IGBT内部的pnp晶体管增益αPNP较低，因此n-IGBT关断瞬态过程中用于载流子抽取的电流(1－αPNP)JC高于p-IGBT。当n-IGBT中MOS沟道关断以后，空穴得以迅速补充，耗尽层开始以较快的速度从p基区/n－漂移层pn结向n－漂移层扩展，从而使得n-IGBT穿通之后的dv/dt高于p-IGBT。并且，由于高掺杂缓冲层内多子浓度较高，加之较低的载流子寿命以及较少的额外载流子数量，该层中的载流子复合作用较强，从而使得两种极性IGBT穿通之前的dv/dt远高于穿通之后的值(如表3所示)。由于SiCIGBT中本身其少子电荷量就低，加之缓冲层内较低的载流子寿命引起的较高的载流子复合速率，因此其关断瞬态电流拖尾时间较短，一般不是很明显。而随着温度的升高，背部注入层的电离程度增加，因而其向缓冲层的载流子正向注入作用增强，缓冲层内需移除的额外载流子数量增加，另一方面温度提高了载流子寿命，从而降低了载流子的复合速率，两方面的共同作用使得拖尾电流的时间随着温度的升高而延长。

在300K时，p-IGBT的dv/dt峰值仅为14.4kV/μs，约为穿通之后dv/dt的1.8倍，而n-IGBT的dv/dt峰值则高达p-IGBT峰值的14.7倍左右。这是由于p型缓冲层内的额外电子载流子浓度低于n型缓冲层内的额外载流子浓度，因此在相同的载流子寿命条件下，p型缓冲层内额外载流子的复合速率较低，如图8所示(图中τBL，300K为300K下缓冲层中的载流子寿命)。同时，这也很好地解释了p-IGBT的di/dt较低的原因。从表3可以看到，虽然高温会增加额外载流子寿命，进而增加内部寄生晶体管的电流增益，使得额外载流子的复合过程减缓，从而使关断过程减慢，两种沟道器件的dv/dt与di/dt均会随着温度的升高而逐渐降低，但高温条件下n-IGBT的dv/dt峰值仍然比p-IGBT高了约6.66倍，而其di/dt峰值约为p-IGBT的5.5倍。较高的dv/dt和di/dt会导致严重的电磁干扰(EMI)。因此，有必要对n-IGBT进行瞬态和稳态性能的优化设计，以进一步降低其关断dv/dt和di/dt。

2.4动态关断能耗与正向压降折中特性

图9为在8kV直流母线电压、25A·cm－2负载电流的电感负载开关电路中漂移层载流子寿命对关断瞬态过程的影响，图中从右至左漂移层室温下的载流子寿命分别为0.5、1、1.5、2、3、5μs。由图9可以看出，随着载流子寿命的增加，载流子的双极性扩散长度增加，从而使得漂移层内的电导调制效应增强，器件的正向压降VF逐渐降低，这与前文分析结果是一致的。由于穿通之前电压上升速度较快，穿通之后电压上升速度较慢，其时间占据整个关断时间较大的比例，因此穿通之后的时间决定着总关断能量损耗Eoff的消长趋势。然而，随着正向导通过程中越来越多的载流子存储在漂移层中，穿通之后载流子抽取的过程随之延长，因此，两种极性IGBT的Eoff均随着漂移层载流子寿命的增加而不断增大。

与p-IGBT相比，正向导通过程中n-IGBT的漂移层内存储了较多的额外载流子，但由于其内部寄生pnp晶体管的电流增益较低，反向关断过程中的载流子抽取电流较大，从而使得耗尽整个漂移层所需的时间大幅缩短。因此，n-IGBT在动态关断过程中的能量损耗更小。随着温度的升高，关断能量损耗有所增加。这是由于温度增加了漂移层载流子寿命，一方面提高了电导调制效应，漂移层中需移除的额外载流子电荷量增加，另一方面增加了内部寄生晶体管的增益，从而使得用于额外载流子移除的电流降低，两方面原因使得关断能量损耗随着温度的升高而增大。由于较快的关断速度加之较强的电导调制效应，在室温和高温条件下，n-IGBT均在VF和Eoff之间取得了较好的折中。因此，从能量耗散的角度来说，n-IGBT未来更适用于高效率功率变换系统。

本文还进行了二维数值模拟，研究了缓冲层厚度对两种SiCIGBT静态和动态特性的影响，如图10所示，图中从左至右缓冲层厚度分别为0.5、1、1.25、2、5和10μm。其中，缓冲层的电荷剂量，即缓冲层厚度dBL和掺杂浓度NBL的乘积保持1×1013cm－2不变，且n-IGBT与p-IGBT的漂移层载流子寿命均设置为1.5μs。随着缓冲层厚度的增大，额外载流子向漂移层内的注入作用减弱，在漂移层/缓冲层处pn结的载流子浓度降低，因而漂移层内的电导调制效应减弱，从而导致正向导通压降逐渐升高。并且，随着缓冲层厚度的增加，n-IGBT/p-IGBT内部的pnp/npn晶体管增益降低，漂移层内需要移除的额外载流子电荷量减少，从而使得穿通之后耗尽整个漂移层的时间缩短，关断过程得以加速，Eoff得以降低。以300K时的折中曲线为例，当缓冲层厚度由0.5μm增加至5μm时，n-IGBT的Eoff由60mJ·cm－2降低至27mJ·cm－2，而p-IGBT的Eoff则降低了90%以上。这也说明了加厚缓冲层是加快关断瞬态过程、降低Eoff的一种有效方法。然而，虽然p-IGBT的Eoff可以被控制在合理的范围内，但正向导通压降和导通能量损耗却以不可接受的速度增加，这也是加厚缓冲层设计的一个缺点。表4为SiCn-IGBT与p-IGBT通态特性、关断瞬态特性和安全工作区特性的比较。由表4可以看出，除了ＲBSOA特性外，SiCn-IGBT的其他电学特性均优于p-IGBT。

3结论

本文通过使用二维数值仿真模型，并结合基础物理建模，对SiCn-IGBT与p-IGBT的电学性能，包括正向I-V特性、电导调制特性、关断瞬态dv/dt和di/dt特性、VF和Eoff折中特性和安全工作区特性等进行了比较研究，得出如下结论:漂移层的载流子寿命增加会降低额外载流子的复合速率，从而导致关断阶段的能耗增加;而使用较厚的缓冲层可有效加快关断瞬态过程，从而降低Eoff，特别是对于p-IGBT而言，但是，这可能会引起通态压降增大;对于n-IGBT而言，其内部pnp晶体管增益较低，关断过程中空间电荷区的空穴补充较快，因此n-IGBT关断过程的时间周期更短，其Eoff与p-IGBT相比较低;此外，由于p+注入层的离化能较高，饱和电流水平较低，n-IGBT表现出比p-IGBT更宽的SCSOA;然而，n-IGBT关断瞬态的dv/dt和di/dt与p-IGBT相比较高，应采用一定的技术手段加以抑制。

来源：半导体技术第48卷第2期

作者：肖凯1，刘航志2，*，王振1，邹延生1，王俊2

(1．中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心，广州510080;

2．湖南大学电气与信息工程学院，长沙410082)