一種應用于混合式直流斷路器的門極換流晶閘管芯片的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于半導體集成電路技術領域，特別涉及一種半導體器件結構，尤其涉及 一種應用于自然換流型混合式直流斷路器中的集成門極換流晶閘管的門極結構。
【背景技術】
[0002] 在直流輸配電領域，隨著電力電子器件的發展，GTO、IGBT、IGCT、ETO等大功率器 件的誕生，基于電力電子技術開斷的混合式直流斷路器成為快速開斷直流電流的重要技術 方案。自然換流型混合式直流斷路器結構如圖1所示，包括主電流支路，主斷路器支路，過 電壓限制和能量吸收支路三條支路。正常導通狀態下電流流過主電流支路。當發生故障 時，FCB(快速機械開關）分斷，在電弧電壓作用下，電流轉移至主斷路器支路上的電力電子 開關。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，因此電流的轉移速度〈lOOA/us。因此應用于自然換流型混合式直流斷路器中的 電力電子器件，可以具有較小的開通速度，即di/dt〈100A/us ;但是要求具有盡可能大的關 斷電流的能力。
[0003] 集成門極換流晶閘管（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體器件，它最先是由瑞士 ABB公司開發并成功投 入市。IGCT是將GCT(Gate Commutated Thyristor門極換流晶閘管）芯片與反并聯的二極 管和門極驅動MOSFET集成在一起，再與門極驅動在外圍以低電感方式連接，結合了晶體管 的關斷能力和晶閘管低導通損耗等優點，適用于自然換流型混合式直流斷路器。
[0004] GCT芯片集成了多個門極換流晶閘管元胞單元，元胞的基本結構同GTO類似，為 PNPN結構，GCT (Gate Commutated Thyristor)元胞單元如圖2所示，按照摻雜的濃度細化 區分，則陰極極至陽極分別是：n+發射極、p基區、η基區、η+緩沖層、p+發射極，共有J1、 J2、J3三個PN結（即半導體中ρ型摻雜區和N型摻雜區的邊界線）。其導通和關斷過程如 圖3所示，正常導通時，門陰極正偏，電流自陽極流入，陰極流出，如圖3(a)所示。關斷時， 門陰極反偏，電流自陰極流入，陽極流出，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構如圖4所示：由多個 同心的陰極環41、一個同心的門極接觸環42和多個陰極梳條43構成；一個個梳條43沿徑 向排列在每個陰極環42的部分區域中，形成一個扇形區域。陰極環41的數量和深度根據 實際芯片尺寸確定，數值上不是嚴格的。圖4以10個陰極環為例進行說明，圖4中在第5陰 極環與第6陰極環之間有一個門極接觸環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的縱向元胞結構同與圖2的說明一致，即每個元胞 縱向結構從陰極至陽極分別是：n+發射極、ρ基區、η基區、η+緩沖層、ρ+發射極，共有J1、 J2、J3三個PN結；陰極面的每個梳條43上表面為陰極發射極電極44，陰極面除了梳條外的 其他區域由的上表面為門極電極45覆蓋。
[0006] 門極電極45是經過濺射得到的金屬電極，門極電極45覆蓋了除梳條以外所有的 陰極面表面區域，因此是各陰極環彼此相通的，并與陰極面梳條43表面的陰極發射極電極 44絕緣。門極電極45直接同門極接觸環42表面46相連。且已有的GCT芯片的陰極面各 陰極環和門極接觸環縱向的元胞結構的P基區深度相同（深度具體取值可根據器件的電 壓、電流等級優化得到）。導通時電流IA. ON由陽極流入，陰極流出；進行關斷操作時，電流 從陰極梳條處轉移至門極接觸環。由于門極接觸環位于第5到第6陰極環之間，因此所有 陰極梳條的電流都要通過金屬層匯聚到門極接觸環。
[0007] GCT關斷操作時的工作原理主要分為三個階段：
[0008] a)基區存儲電荷抽取
[0009] 在導通時，位于Jl結合J3結之間的η基區和p基區處于大注入狀態，處于電導調 制。所謂大注入狀態即為由陽極和陰極高摻雜濃度區的空穴、電子注入到P基區和η基區， 注入濃度遠遠大于P基區和η基區的摻雜濃度。ρ基區的摻雜濃度一般在10 16/cm3左右， 注入后電子濃度超過1〇17。存儲電荷如圖5所示。關斷時，陰極電流為純電子電流，當p基 區少子（即電子）全部抽取的時間定義為存儲時間t s.KAMP，該存儲時間同ρ基區深度Wp的 關系為：
[0010]
【主權項】
1. 一種應用于混合式直流斷路器的門極換流晶閘管芯片，包括陰極金屬電極、門極金 屬電極和陽極金屬電極，所述陰極、門極和陽極，均通過金屬電極同外在的驅動電路相連 接；每個元胞結構從陰極到陽極包括：n+發射極、P基區、n基區、n+緩沖層、P+發射極；所 述陰極金屬電極設置在所述n+發射區外表面，所述門極金屬電極設置在n+發射區以外的 P基區表面，所述陽極金屬電極設置在P+發射極表面；該芯片的陰極面由多個同心的陰極 環、一個同心的門極接觸環和多個陰極梳條構成；一個個梳條沿徑向排列在每個陰極環的 部分區域中，形成一個扇形區域；其特征在于，同一陰極環上梳條的元胞的P型基區具有相 同深度，不同陰極環上梳條的元胞的P基區深度根據該陰極環到門極接觸環的距離進行調 整：與門極接觸環距離越遠的陰極環上梳條的元胞的P基區深度越深。不同陰極環上梳條 的元胞的P基區深度與n基區深度之和相同。
2. 如權利要求1所述芯片，其特征在于所述芯片的第n環上梳條的元胞的p基區深度 1_)與該環到門極接觸的雜散電感L(n)滿足以下關系式： Wp(n)Ln= WXl 式中的W為最外環的P基區深度，1為最外環到門極接觸金屬層的雜散電感。W的取值 根據器件的電壓、電流等級優化得到，1根據GCT陰極表面的門極電極經過公知數值計算或 者電磁計算程序得到，不同段門極電極的雜散電感通過已有ANSYS有限元計算程序對陰極 表面門極電極建模計算得到。
3. 如權利要求1或2所述芯片，其特征在于，所述各陰極環上的元胞的p基區深度與該 環上的梳條的元胞的P基區深度相同。
【專利摘要】本發明涉及一種應用于混合式直流斷路器的門極換流晶閘管芯片，屬于半導體集成電路技術領域，該芯片包括陰極金屬電極、門極金屬電極和陽極金屬電極，所述陰極、門極和陽極，均通過金屬電極同外在的驅動電路相連接；該芯片的陰極面由多個同心的陰極環、一個同心的門極接觸環和多個陰極梳條構成；同一陰極環上梳條的元胞的p型基區具有相同深度，不同陰極環上梳條的元胞的p基區深度根據該陰極環到門極接觸環的距離進行調整：與門極接觸環距離越遠的陰極環上梳條的元胞的p基區深度越深。不同陰極環上梳條的元胞的p基區深度與n基區深度之和相同。該芯片可克服已有的由于電感分布不均衡導致的換流時間不均衡的問題，提高大直徑IGCT的電流關斷能力。
【IPC分類】H01L29-74, H01L29-10
【公開號】CN104795439
【申請號】CN201510119436
【發明人】曾嶸, 余占清, 呂綱, 陳政宇, 朱童, 張翔宇
【申請人】清華大學
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年3月18日