CN102779848A - 一种具有深能级掺杂元素漂移区的晶闸管 - Google Patents

Abstract

一种具有深能级掺杂元素漂移区的晶闸管件，属于半导体功率器件技术领域。本发明在传统晶闸管的N-漂移区（6）中掺入深能级杂质元素（硫、硒、碲、金或铂），深能级杂质元素随着温度升高，电离度增加，导致杂质浓度增加，从而能有效减少PNP管高温下α_PNP，一方面能减少温度对高温阳极漏电流的影响，减少高温漏电流，进一步减少晶闸管的功耗；器件关断时，栅电极关断触发电流能加速空穴的抽取，减少寄生NPN管α_NPN，漂移区杂质浓度上升引起α_PNP的减小，加速了α_NPN+α_PNP<1的过程，使得晶闸管自维持效应消失、器件更容易关断。

Description

一种具有深能级掺杂元素漂移区的晶闸管

技术领域

本发明属于半导体功率器件技术领域，涉及晶闸管，尤其是漂移区掺入了深能级元素的晶闸管。

背景技术

晶闸管具有大电流、高电压等优点，广泛应用于整流、无触点电子开关、逆变及变频电路及系统。传统的晶闸管，其结构如图1所示，当金属阳极3加正电压，金属栅极2加开启触发电流，为寄生NPN管提供基极电流时，寄生NPN管随之开启，开启后的寄生NPN管为寄生PNP管也提供了基极电流，从而寄生PNP管也开启，寄生PNP的开启又进一步为寄生NPN提供基极电流，这样就形成了正反馈，晶闸管NPNP四层结构形成的自维持模式使得晶闸管开启，晶闸管具有很小的导通电压，具有很大的正向电流，能承受很高的耐压，而且栅驱动电路简单，具有不可替代的市场应用前景。当金属栅极2加关断触发电流，能加速栅电极对P型基区5空穴的抽取，当P+阳极区的空穴被正向电场拉到栅电极时，栅电极的触发电流加速栅电极对空穴的抽取，减少α_NPN，使得寄生NPN管和寄生PNP管的共基极电流放大系数之和α_NPN+α_PNP<1，从而使得闸管无法维持其自开启状态，从而晶闸管关断。虽然晶闸管有诸多性能优势，能广泛应用到电子电路领域，但是晶闸管的关断过程却是个很艰难的过程，由于晶闸管很大的阳极漏电流，而且是正温度系数，随着温度的升高，阳极漏电流急剧升高；栅触发电流驱动电路也不易控制，使得栅电极控制信号抽取空穴的过程相当缓慢甚至导致晶闸管的关断失效。

发明内容

本发明提供一种具有深能级掺杂元素漂移区的晶闸管，是在传统晶闸管的漂移区内掺入深能级杂质元素，所述的深能级杂质元素随着温度升高，电离度增加，导致杂质浓度增加，能有效减少高温下PNP管α_PNP，一方面能减少温度对高温阳极漏电流的影响，减少高温漏电流，进一步减少晶闸管的功耗，另一方面，α_PNP的减小能进一步改善晶闸管关断特性。

本发明的技术方案如下：

一种具有深能级掺杂元素漂移区的晶闸管，其元胞结构如图2所示，包括金属化阴极1，多晶硅栅电极2，金属化阳极3，N+有源区4，P型基区5，N-漂移区6，P+阳极区7；金属化阳极3位于P+阳极区7的下面，N-漂移区6位于P+阳极区7的上面，P型基区5位于N-漂移区6上面，P型基区5接多晶硅栅电极2；N+有源区4位于P型基区5的上面，且接金属化阴极1；所述N-漂移区6中掺入了深能级杂质元素（具体掺杂元素包括：硫、硒、碲、金或铂）。

需要进一步说明的是，所述N-漂移区6中可全部或部分掺入深能级杂质元素（即深能级杂质元素在N-漂移区6中的注入位置和厚度可调）；在N-漂移区6中掺入深能级杂质元素的同时，P型基区5中也可掺入深能级杂质元素。

本发明的工作原理如下：

本发明提出的具有深能级掺杂元素漂移区的晶闸管，所述的深能级杂质元素随着温度升高，电离度增加，导致杂质浓度增加，从而能有效减少PNP管高温下α_PNP，一方面能减少温度对高温阳极漏电流的影响，减少高温漏电流，进一步减少晶闸管的功耗；另一方面，减少的α_PNP能进一步改善关断特性。下面以附图2，实际掺硫元素为例，结合附图3所示的寄生等效电路模型，说明本发明的工作原理。

传统晶闸管工作时，如图1所示，当栅电极加开启触发电流，使得P型基区和N+有源区构成的PN结正偏，N+有源区向P型基区发射电子，电子被N-漂移区和P型基区构成的反偏PN结强大的电场拉向N-漂移区，从而为NPNP晶闸管寄生PNP管提供了基极电流，从而寄生PNP管开启，开启后的寄生PNP管又能进一步为寄生NPN管提供基极电流，这样就形成了正反馈机制使得晶闸管无需额外的驱动电流就能保持开启状态。当栅电极加关断触发电流时，加速栅电极对P+阳极区发射到P型基区的空穴的抽取，大幅减少寄生NPN管α_NPN，在晶闸管开启时，NPNP晶闸管四层结构寄生NPN管和PNP管α_PNP+α_NPN>1，但是，当加关断触发电流时，由于α_NPN的大幅减少，使得α_PNP+α_NPN<1，从而晶闸管关断。本发明所提供的具有深能级掺杂元素漂移区的晶闸管件如图2所示，由于其N-漂移区中掺入了深能级杂质元素，随着晶闸管温度升高时，深能级杂质元素电离度增加，导致杂质浓度增加，升高的漂移区杂质浓度使得寄生NPN管的共基极电流放大系数α_PNP减小，从而使得高温下经寄生PNP管放大的阳极漏电流有效减小，从而减少了温度对漏电流的影响，降低了晶闸管的高温功耗，能够有效防止因高电压、高电流、高温引起的器件动态雪崩击穿。随着温度升高而大幅减少的α_PNP和因关断触发电流引起大幅减小的α_NPN共同作用，而且深能级杂质元素本身就是复合中心，可以进一步加速漂移区内的电子空穴复合，使得晶闸管开启时的α_PNP+α_NPN>1迅速减少，当α_PNP+α_NPN<1时，晶闸管关断，从而有效改善晶闸管的关断特性，提高晶闸管的可靠性。

综上所述，本发明提供的具有深能级掺杂元素漂移区的晶闸管，由于其N-漂移区中掺入了深能级杂质元素，能够明显减小寄生PNP管高温下α_PNP，有效减少高温漏电流，进一步减少晶闸管的功耗；另一方面，减少的α_PNP和关断触发电流引起大幅减小的α_NPN共同作用，加之深能级杂质元素本身就是复合中心，所以能够加速晶闸管的关断过程，有效改善晶闸管的关断特性，提高晶闸管的可靠性。

附图说明

图1是传统晶闸管基本结构示意图。

图2是本发明提供的具有深能级掺杂元素漂移区的晶闸管结构示意图。

图1至图2中：1是金属化阴极，2是多晶硅栅电极，3是金属化阳极，4是N+有源区，5是P型基区，6是N-漂移区，7是P+阳极区。

图3是本发明提供的具有深能级掺杂元素漂移区的晶闸管件等效电路模型示意图。

具体实施方式

一种具有深能级掺杂元素漂移区的晶闸管，其元胞结构如图2所示，包括金属化阴极1，多晶硅栅电极2，金属化阳极3，N+有源区4，P型基区5，N-漂移区6，P+阳极区7；金属化阳极3位于P+阳极区7的下面，N-漂移区6位于P+阳极区7的上面，P型基区5位于N-漂移区6上面，P型基区5接多晶硅栅电极2；N+有源区4位于P型基区5的上面，且接金属化阴极1；所述N-漂移区6中掺入了深能级杂质元素（具体掺杂元素包括：硫、硒、碲、金或铂）。

需要进一步说明的是，所述N-漂移区6中可全部或部分掺入深能级杂质元素（即深能级杂质元素在N-漂移区6中的注入位置和厚度可调）；在N-漂移区6中掺入深能级杂质元素的同时，P型基区5中也可掺入深能级杂质元素。

本发明提供的具有深能级掺杂元素漂移区的晶闸管，其具体实现方法为，选取N型<111>晶向区熔单晶衬垫，注入深能级杂质层形成深能级杂质N-漂移区，正面注入P型基区，背面注入高浓度阳极P+区，在正面P型基区上面进行N+有源发射区扩散，淀积多晶形成栅电极，沉积发射极金属，发射极金属曝光与刻蚀，背面透明集电极注入及退火，背面金属化，钝化等等。与传统晶闸管制备工艺相比，没有增加掩膜板，制备工艺简单容易实现。

所述的深能级杂质层不仅仅是可以注入到漂移区内，还可以注入到P型基区内。另外，制作器件时还可用碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅等半导体材料代替体硅。

Claims (4)

1.一种具有深能级掺杂元素漂移区的晶闸管，其元胞结构包括金属化阴极（1），多晶硅栅电极（2），金属化阳极（3），N+有源区（4），P型基区（5），N-漂移区（6），P+阳极区（7）；金属化阳极（3）位于P+阳极区（7）的下面，N-漂移区（6）位于P+阳极区（7）的上面，P型基区（5）位于N-漂移区（6）上面，P型基区（5）接多晶硅栅电极（2）；N+有源区（4）位于P型基区（5）的上面，且接金属化阴极（1）；其特征在于，所述N-漂移区（6）中掺入了深能级杂质元素。

2.根据权利要求1所述的具有深能级掺杂元素漂移区的晶闸管，其特征在于，所述深能级杂质元素包括硫、硒、碲、金或铂。

3.根据权利要求1所述的具有深能级掺杂元素漂移区的晶闸管，其特征在于，所述N-漂移区（6）中可全部或部分掺入深能级杂质元素，即深能级杂质元素在N-漂移区（6）中的注入位置和厚度可调。

4.根据权利要求1所述的具有深能级掺杂元素漂移区的晶闸管，其特征在于，在N-漂移区（6）中掺入深能级杂质元素的同时，P型基区（5）中也掺入深能级杂质元素。

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