一種應(yīng)用于混合式直流斷路器的門(mén)極換流晶閘管芯片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，尤其涉及 一種應(yīng)用于自然換流型混合式直流斷路器中的集成門(mén)極換流晶閘管的門(mén)極結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在直流輸配電領(lǐng)域，隨著電力電子器件的發(fā)展，GTO、IGBT、IGCT、ETO等大功率器 件的誕生，基于電力電子技術(shù)開(kāi)斷的混合式直流斷路器成為快速開(kāi)斷直流電流的重要技術(shù) 方案。自然換流型混合式直流斷路器結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括主電流支路，主斷路器支路，過(guò) 電壓限制和能量吸收支路三條支路。正常導(dǎo)通狀態(tài)下電流流過(guò)主電流支路。當(dāng)發(fā)生故障 時(shí)，F(xiàn)CB(快速機(jī)械開(kāi)關(guān)）分?jǐn)?，在電弧電壓作用下，電流轉(zhuǎn)移至主斷路器支路上的電力電子 開(kāi)關(guān)。由于主電流支路與主斷路器支路間存在雜散電感（約為IuH左右），電弧電壓約為 20~40V，因此電流的轉(zhuǎn)移速度〈lOOA/us。因此應(yīng)用于自然換流型混合式直流斷路器中的 電力電子器件，可以具有較小的開(kāi)通速度，即di/dt〈100A/us ;但是要求具有盡可能大的關(guān) 斷電流的能力。
[0003] 集成門(mén)極換流晶閘管（IGCT 〖Integrated Gate Commutated Thyristor)是一種用 于大容量電力電子裝置中的新型電力半導(dǎo)體器件，它最先是由瑞士 ABB公司開(kāi)發(fā)并成功投 入市。IGCT是將GCT(Gate Commutated Thyristor門(mén)極換流晶閘管）芯片與反并聯(lián)的二極 管和門(mén)極驅(qū)動(dòng)MOSFET集成在一起，再與門(mén)極驅(qū)動(dòng)在外圍以低電感方式連接，結(jié)合了晶體管 的關(guān)斷能力和晶閘管低導(dǎo)通損耗等優(yōu)點(diǎn)，適用于自然換流型混合式直流斷路器。
[0004] GCT芯片集成了多個(gè)門(mén)極換流晶閘管元胞單元，元胞的基本結(jié)構(gòu)同GTO類(lèi)似，為 PNPN結(jié)構(gòu)，GCT (Gate Commutated Thyristor)元胞單元如圖2所示，按照摻雜的濃度細(xì)化 區(qū)分，則陰極極至陽(yáng)極分別是：n+發(fā)射極、p基區(qū)、η基區(qū)、η+緩沖層、p+發(fā)射極，共有J1、 J2、J3三個(gè)PN結(jié)（即半導(dǎo)體中ρ型摻雜區(qū)和N型摻雜區(qū)的邊界線）。其導(dǎo)通和關(guān)斷過(guò)程如 圖3所示，正常導(dǎo)通時(shí)，門(mén)陰極正偏，電流自陽(yáng)極流入，陰極流出，如圖3(a)所示。關(guān)斷時(shí)， 門(mén)陰極反偏，電流自陰極流入，陽(yáng)極流出，如圖3 (b);
[0005] 已有的典型的直徑4英寸GCT芯片的陰極面和縱向剖面結(jié)構(gòu)如圖4所示：由多個(gè) 同心的陰極環(huán)41、一個(gè)同心的門(mén)極接觸環(huán)42和多個(gè)陰極梳條43構(gòu)成；一個(gè)個(gè)梳條43沿徑 向排列在每個(gè)陰極環(huán)42的部分區(qū)域中，形成一個(gè)扇形區(qū)域。陰極環(huán)41的數(shù)量和深度根據(jù) 實(shí)際芯片尺寸確定，數(shù)值上不是嚴(yán)格的。圖4以10個(gè)陰極環(huán)為例進(jìn)行說(shuō)明，圖4中在第5陰 極環(huán)與第6陰極環(huán)之間有一個(gè)門(mén)極接觸環(huán)42 ;所述GCT芯片的剖面如圖4下方所示（圖中 只顯示了陰極面的左半徑的剖面）。GCT的縱向元胞結(jié)構(gòu)同與圖2的說(shuō)明一致，即每個(gè)元胞 縱向結(jié)構(gòu)從陰極至陽(yáng)極分別是：n+發(fā)射極、ρ基區(qū)、η基區(qū)、η+緩沖層、ρ+發(fā)射極，共有J1、 J2、J3三個(gè)PN結(jié)；陰極面的每個(gè)梳條43上表面為陰極發(fā)射極電極44，陰極面除了梳條外的 其他區(qū)域由的上表面為門(mén)極電極45覆蓋。
[0006] 門(mén)極電極45是經(jīng)過(guò)濺射得到的金屬電極，門(mén)極電極45覆蓋了除梳條以外所有的 陰極面表面區(qū)域，因此是各陰極環(huán)彼此相通的，并與陰極面梳條43表面的陰極發(fā)射極電極 44絕緣。門(mén)極電極45直接同門(mén)極接觸環(huán)42表面46相連。且已有的GCT芯片的陰極面各 陰極環(huán)和門(mén)極接觸環(huán)縱向的元胞結(jié)構(gòu)的P基區(qū)深度相同（深度具體取值可根據(jù)器件的電 壓、電流等級(jí)優(yōu)化得到）。導(dǎo)通時(shí)電流IA. ON由陽(yáng)極流入，陰極流出；進(jìn)行關(guān)斷操作時(shí)，電流 從陰極梳條處轉(zhuǎn)移至門(mén)極接觸環(huán)。由于門(mén)極接觸環(huán)位于第5到第6陰極環(huán)之間，因此所有 陰極梳條的電流都要通過(guò)金屬層匯聚到門(mén)極接觸環(huán)。
[0007] GCT關(guān)斷操作時(shí)的工作原理主要分為三個(gè)階段：
[0008] a)基區(qū)存儲(chǔ)電荷抽取
[0009] 在導(dǎo)通時(shí)，位于Jl結(jié)合J3結(jié)之間的η基區(qū)和p基區(qū)處于大注入狀態(tài)，處于電導(dǎo)調(diào) 制。所謂大注入狀態(tài)即為由陽(yáng)極和陰極高摻雜濃度區(qū)的空穴、電子注入到P基區(qū)和η基區(qū)， 注入濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于P基區(qū)和η基區(qū)的摻雜濃度。ρ基區(qū)的摻雜濃度一般在10 16/cm3左右， 注入后電子濃度超過(guò)1〇17。存儲(chǔ)電荷如圖5所示。關(guān)斷時(shí)，陰極電流為純電子電流，當(dāng)p基 區(qū)少子（即電子）全部抽取的時(shí)間定義為存儲(chǔ)時(shí)間t s.KAMP，該存儲(chǔ)時(shí)間同ρ基區(qū)深度Wp的 關(guān)系為：
[0010]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種應(yīng)用于混合式直流斷路器的門(mén)極換流晶閘管芯片，包括陰極金屬電極、門(mén)極金 屬電極和陽(yáng)極金屬電極，所述陰極、門(mén)極和陽(yáng)極，均通過(guò)金屬電極同外在的驅(qū)動(dòng)電路相連 接；每個(gè)元胞結(jié)構(gòu)從陰極到陽(yáng)極包括：n+發(fā)射極、P基區(qū)、n基區(qū)、n+緩沖層、P+發(fā)射極；所 述陰極金屬電極設(shè)置在所述n+發(fā)射區(qū)外表面，所述門(mén)極金屬電極設(shè)置在n+發(fā)射區(qū)以外的 P基區(qū)表面，所述陽(yáng)極金屬電極設(shè)置在P+發(fā)射極表面；該芯片的陰極面由多個(gè)同心的陰極 環(huán)、一個(gè)同心的門(mén)極接觸環(huán)和多個(gè)陰極梳條構(gòu)成；一個(gè)個(gè)梳條沿徑向排列在每個(gè)陰極環(huán)的 部分區(qū)域中，形成一個(gè)扇形區(qū)域；其特征在于，同一陰極環(huán)上梳條的元胞的P型基區(qū)具有相 同深度，不同陰極環(huán)上梳條的元胞的P基區(qū)深度根據(jù)該陰極環(huán)到門(mén)極接觸環(huán)的距離進(jìn)行調(diào) 整：與門(mén)極接觸環(huán)距離越遠(yuǎn)的陰極環(huán)上梳條的元胞的P基區(qū)深度越深。不同陰極環(huán)上梳條 的元胞的P基區(qū)深度與n基區(qū)深度之和相同。
2. 如權(quán)利要求1所述芯片，其特征在于所述芯片的第n環(huán)上梳條的元胞的p基區(qū)深度 1_)與該環(huán)到門(mén)極接觸的雜散電感L(n)滿(mǎn)足以下關(guān)系式： Wp(n)Ln= WXl 式中的W為最外環(huán)的P基區(qū)深度，1為最外環(huán)到門(mén)極接觸金屬層的雜散電感。W的取值 根據(jù)器件的電壓、電流等級(jí)優(yōu)化得到，1根據(jù)GCT陰極表面的門(mén)極電極經(jīng)過(guò)公知數(shù)值計(jì)算或 者電磁計(jì)算程序得到，不同段門(mén)極電極的雜散電感通過(guò)已有ANSYS有限元計(jì)算程序?qū)﹃帢O 表面門(mén)極電極建模計(jì)算得到。
3. 如權(quán)利要求1或2所述芯片，其特征在于，所述各陰極環(huán)上的元胞的p基區(qū)深度與該 環(huán)上的梳條的元胞的P基區(qū)深度相同。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于混合式直流斷路器的門(mén)極換流晶閘管芯片，屬于半導(dǎo)體集成電路技術(shù)領(lǐng)域，該芯片包括陰極金屬電極、門(mén)極金屬電極和陽(yáng)極金屬電極，所述陰極、門(mén)極和陽(yáng)極，均通過(guò)金屬電極同外在的驅(qū)動(dòng)電路相連接；該芯片的陰極面由多個(gè)同心的陰極環(huán)、一個(gè)同心的門(mén)極接觸環(huán)和多個(gè)陰極梳條構(gòu)成；同一陰極環(huán)上梳條的元胞的p型基區(qū)具有相同深度，不同陰極環(huán)上梳條的元胞的p基區(qū)深度根據(jù)該陰極環(huán)到門(mén)極接觸環(huán)的距離進(jìn)行調(diào)整：與門(mén)極接觸環(huán)距離越遠(yuǎn)的陰極環(huán)上梳條的元胞的p基區(qū)深度越深。不同陰極環(huán)上梳條的元胞的p基區(qū)深度與n基區(qū)深度之和相同。該芯片可克服已有的由于電感分布不均衡導(dǎo)致的換流時(shí)間不均衡的問(wèn)題，提高大直徑IGCT的電流關(guān)斷能力。
【IPC分類(lèi)】H01L29-74, H01L29-10
【公開(kāi)號(hào)】CN104795439
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510119436
【發(fā)明人】曾嶸, 余占清, 呂綱, 陳政宇, 朱童, 張翔宇
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年3月18日