CN103219372B - 一种晶闸管门阴极结及具有该结构的门极换流晶闸管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶闸管门阴极结及具有该结构的门极换流晶闸管，晶闸管包括N-衬底、P基区、P+短基区、N+发射区、门极金属电极和阴极金属电极。N+发射区、P+短基区、P基区、N-衬底依次排布，阴极金属电极设置在N+发射区外表面，门极金属电极设置在P+短基区外表面。晶闸管的门阴极结为二层台阶结构，第一层台阶为浅台阶，第一层台阶的底部为P+N+边界。第二层台阶为深台阶，第二层台阶的底部为PN+边界。具有该结构的门极换流晶闸管进一步包括N′缓冲层和P+阳极区。本发明门阴极结能够减少晶闸管N+发射区注入的电子在P+短基区和P基区的复合，增强晶闸管的电导调制效应，并可以进一步提高其导通电流和开通速度。

Description

一种晶闸管门阴极结及具有该结构的门极换流晶闸管

技术领域

本发明涉及一种半导体器件结构，尤其是涉及一种应用于电力半导体领域的晶闸管门阴极结结构，以及具有该门阴极结的门极换流晶闸管。

背景技术

硅作为一种半导体材料，以硅为代表的半导体器件都是在原始单晶的基础上进行一定的加工工艺，通过向其中掺入少量杂质使其导电性发生显著改变，从而形成特定结构和掺杂分布，从而实现器件功能。其中掺杂剂分成两类：一类为N型掺杂剂，如磷和砷原子。另一类为P型掺杂剂，如硼、铝和镓原子。掺入磷、砷、锑可以使硅成为电子导电型（N型）硅，掺入硼、铝或镓可以使硅成为空穴型（P型）硅，正是有了P型和N型的区别，才使得硅能制作出很多种类的半导体器件。大功率半导体的掺杂剂常用磷、硼、铝和镓。通常在“N”或“P”后增加一定的符号表明掺杂的轻重程度。如“N-”表示非常低的N型掺杂（13次方量级），这通常表示衬底；“N′”是介于重掺杂和衬底掺杂的轻掺杂之间的浓度水平，表示14～16次方个量级的轻掺杂；“N+”表示重掺杂（通常在18次方以上）。P型杂质的轻重掺杂也可同样表示。

GCT（Gate Commutated Thyristors）：门极换流晶闸管器件作为一种广泛应用的典型晶闸管器件，其主要结构包含P、N、P、N四层。根据掺杂的轻重程度，又可细分为P+、N′、N-、P、P+、N+六层，分别对应于P+阳极区1、N′缓冲层2、N-衬底3、P基区4、P+短基区5和N+发射区6。器件内部存在3个PN结，从阳极往阴极分别为J1结10、J2结11和J3结，其中，J3结为门阴极结12，原有GCT的单个元胞结构如附图1所示。从附图1中可以看出，J1结10和J2结11是水平的，结边界在同一深度，J3结是门极挖槽后再扩散N+得到的，所以其边界底部是水平的，形状近似为一层台阶。

如附图2所示，现有技术的GCT，当阳极施加高压且没有门极开通触发电流的情况下，GCT处于阻断状态，J2结11两侧的P型和N型区各电离一定厚度，形成（载流子）耗尽区，GCT整体对外呈现高阻状态。当给门极施加正向电流，P基区的电子势垒将会下降，这时电子从N+发射区注入，空穴从P+阳极注入，使器件内部的载流子浓度升高，进而能导通一定的电流。电流密度可由以下关系描述：

其中n为载流子浓度，q为单位电荷的电荷量，v为载流子的移动速度。具体的，如果n是电子浓度，则J为电子电流密度；如果n表示空穴浓度，那么J就是空穴电流密度。

当电子和空穴分别从器件的N+发射区和P+阳极区注入后，器件内部的载流子浓度升高，器件的导电能力随之增强，这种由于载流子浓度升高而使导电能力显著提高的现象称为电导调制效应。发生电导调制效应后器件内部就形成了从阳极到阴极的低阻导电通路，于是器件就能通过非常大的电流。如附图3和附图4所示，分别是原有GCT导通时的电子浓度分布和空穴浓度分布，图中也标明了电子和空穴的电流方向Jn和Jp。因此，通过优化器件结构使器件的电导调制效应增强就可以提高器件的导通电流。

在现有技术中，如附图5至8所示，一篇由日本三菱电气株式会社于1976年07月09日申请，并于1978年01月23日公开，公开号为JP53007179A的特许公开《晶闸管》通过增加PNPN结门极附近的注入效率，来增加初始导通面积，从而提高电流上升率di/dt，缩短开通时间，提高门极灵敏度和减少闩锁电流。该专利的应用领域为PNPN晶闸管，其中提到的增加门极附近的注入效率的方法有两种。如附图5中所示是第一种方法，通过在阴极N掺杂区靠近门极的位置，增加N型杂质的扩散深度来增加J1结（现称为J3结）的结深，N型区杂质总量也将增加。如附图6中所示是第二种方法，该方法通过增加N型区的表面浓度，从而增加N型区的杂质总量。

这两种方法的共同特点是增加N型区的杂质总量（一种通过增加扩散深度来实现，一种通过增加表面浓度来实现），改变的位置都在门极附近，P型掺杂都没有改变。增加N型杂质总量可以提高电子的注入量，于是就可以实现其提到的目的，即：通过增加PNPN结门极附近的注入效率，来增加初始导通面积，从而提高电流上升率di/dt，缩短开通时间，提高门极灵敏度和减少闩锁电流。

由附图3所示可以看出，现有技术中的门阴极结结构以及具有该结构的晶闸管虽然从N+发射区6有大量的电子注入，但由于P+短基区5的掺杂浓度很高，提供了大量的空穴，电子在该处与空穴复合从而降低了P基区和N基区的电子注入量，这就成了限制电导调制效应的因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种晶闸管门阴极结及具有该结构的门极换流晶闸管，减少了晶闸管N+发射区注入的电子在P+短基区和P基区的复合，增强了晶闸管的电导调制效应，进而提高了晶闸管的导通电流和开通速度。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种晶闸管门阴极结的技术实现方案，一种晶闸管门阴极结，所述晶闸管包括N-衬底、P基区、P+短基区、N+发射区、门极金属电极和阴极金属电极。所述N+发射区、P+短基区、P基区、N-衬底依次排布，所述阴极金属电极设置在所述N+发射区的外表面，所述门极金属电极设置在所述P+短基区的外表面。所述晶闸管的门阴极结为二层台阶结构，第一层台阶为浅台阶，所述第一层台阶的底部为P+N+边界。所述第二层台阶为深台阶，所述第二层台阶的底部为PN+边界。所述第二层台阶的宽度Lb可以调节。所述第二层台阶的深度Lc可以调节。

作为本发明一种晶闸管门阴极结技术方案的进一步改进，所述门阴极结第二层台阶边界的P型杂质浓度为1×10¹⁶cm^-3至5×10¹⁹cm^-3。

作为本发明一种晶闸管门阴极结技术方案的进一步改进，所述门阴极结第二层台阶的深度Lc满足：10μm≤Lc≤50μm。

作为本发明一种晶闸管门阴极结技术方案的进一步改进，所述门阴极结第二层台阶的宽度Lb满足：0＜Lb≤300μm。

作为本发明一种晶闸管门阴极结技术方案的进一步改进，所述N+发射区两侧P+短基区之间的间距L满足：0＜L≤300μm。

作为本发明一种晶闸管门阴极结技术方案的进一步改进，所述P+短基区的掺杂杂质为硼或铝。

作为本发明一种晶闸管门阴极结技术方案的进一步改进，所述N+发射区的掺杂杂质为磷。

作为本发明一种晶闸管门阴极结技术方案的进一步改进，所述P基区的掺杂杂质为铝。

作为本发明一种晶闸管门阴极结技术方案的进一步改进，所述门阴极结第二层台阶的电流密度高于所述第一层台阶的电流密度。

作为本发明一种晶闸管门阴极结技术方案的进一步改进，通过对P+短基区进行P+扩散的掩膜尺寸调节所述门阴极结第二层台阶的水平宽度。

作为本发明一种晶闸管门阴极结技术方案的进一步改进，通过对N+发射区进行N+推进或对晶闸管的初始衬底进行P′扩散调节所述门阴极结第二层台阶的深度。

本发明还另外具体提供了一种具有上述晶闸管门阴极结的门极换流晶闸管的技术实现方案，该门极换流晶闸管包括一个以上的元胞，所述元胞进一步包括：P+阳极区、N′缓冲层、N-衬底、P基区、P+短基区、N+发射区、阳极金属电极、门极金属电极和阴极金属电极。所述N+发射区、P+短基区、P基区、N-衬底、N′缓冲层、P+阳极区依次排布。所述阴极金属电极设置在所述N+发射区的外表面，所述阳极金属电极设置在所述P+阳极区的外表面，所述门极金属电极设置在所述N+发射区两侧的P+短基区的外表面，在所述门极金属电极和阴极金属电极之间形成门阴极结。

通过实施上述本发明一种晶闸管门阴极结及具有该结构的门极换流晶闸管的技术方案，具有以下技术效果：

（1）本发明提高了晶闸管的导通电流，由于减小了P型区的宽度，N+发射区的电子注入提高，增强了电导调制效应，使导通电流增大，电流增加幅度可以高达3倍；

（2）本发明降低了晶闸管的导通压降，增加导通电流，也意味着在同等导通电流下具有更低的导通压降；

（3）本发明提高了晶闸管的开通速度，本发明门阴极结相当于在原结构基础上使阴极下方的晶闸管成分导电能力更强，新的部分导通电流能力的提高可以有效提高器件的开通速度，开通速度最高可以提高2～3倍；

（4）本发明可以独立设计元胞的电流值，由于本发明门阴极结采用深浅两层台阶结构，而其中的深台阶电流密度显著高于浅台阶，因此可以通过设计两层台阶的宽度和高度来设计每一个阴极条的电流值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术一种晶闸管单个元胞的剖面结构示意图。

图2是现有技术一种晶闸管的器件杂质浓度分布示意图。

图3是现有技术一种晶闸管在导通状态下的电子浓度分布示意图。

图4是现有技术一种晶闸管在导通状态下的空穴浓度分布示意图。

图5是现有技术另一种晶闸管单个元胞的剖面结构示意图。

图6是现有技术另一种晶闸管的器件杂质浓度分布示意图。

图7是现有技术第三种晶闸管单个元胞的剖面结构示意图。

图8是现有技术第三种晶闸管的器件杂质浓度分布示意图。

图9是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管一种具体实施方式单个元胞的剖面结构示意图。

图10是图9中B部分所示本发明晶闸管门阴极结的剖面结构示意图。

图11是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管一种具体实施方式与现有技术在器件掺杂分布上的比较示意图。

图12是现有技术门阴极结的门极换流晶闸管在门阴极结导通状态下的电流密度分布示意图。

图13是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管一种具体实施方式在门阴极结导通状态下的电流密度分布示意图。

图14是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管一种具体实施方式与现有技术在纵向截线电流密度分布上的比较示意图。

图15是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管一种具体实施方式与现有技术在横向截线电流密度分布上的比较示意图。

图16是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管一种具体实施方式与现有技术在电子浓度分布上的比较示意图。

图17是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管一种具体实施方式与现有技术在空穴浓度分布上的比较示意图。

图18是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管制备方法一种具体实施方式单个元胞的原理示意图。

图19是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管制备方法另一种具体实施方式单个元胞的原理示意图。

图20是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管一种具体实施方式与现有技术在导通电流方面的比较示意图。

图21是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管两种具体实施方式在导通电流增加幅度方面的比较示意图。

图22是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管制备方法一种具体实施方式单个元胞的制作过程S101的示意图。

图23是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管制备方法一种具体实施方式单个元胞的制作过程S102的示意图。

图24是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管制备方法一种具体实施方式单个元胞的制作过程S103的示意图。

图25是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管制备方法一种具体实施方式单个元胞的制作过程S104的示意图。

图26是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管制备方法一种具体实施方式单个元胞的制作过程S105的示意图。

图27是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管制备方法一种具体实施方式单个元胞的制作过程S106的示意图。

图28是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管制备方法一种具体实施方式单个元胞的制作过程S107的示意图。

图29是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管制备方法一种具体实施方式单个元胞的制作过程S108的示意图。

图30是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管制备方法一种具体实施方式单个元胞的制作过程S109的示意图。

图31是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管制备方法一种具体实施方式单个元胞的制作过程S110的示意图。

图32是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管制备方法另一种具体实施方式单个元胞的制作过程S201的示意图。

图33是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管制备方法另一种具体实施方式单个元胞的制作过程S202的示意图。

图34是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管制备方法另一种具体实施方式单个元胞的制作过程S203的示意图。

图35是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管制备方法另一种具体实施方式单个元胞的制作过程S204的示意图。

图36是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管制备方法另一种具体实施方式单个元胞的制作过程S205的示意图。

图37是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管制备方法另一种具体实施方式单个元胞的制作过程S206的示意图。

图38是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管制备方法另一种具体实施方式单个元胞的制作过程S207的示意图。

图39是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管制备方法另一种具体实施方式单个元胞的制作过程S208的示意图。

图40是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管制备方法另一种具体实施方式单个元胞的制作过程S209的示意图。

图41是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管制备方法另一种具体实施方式单个元胞的制作过程S210的示意图。

图42是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管制备方法另一种具体实施方式单个元胞的制作过程S211的示意图。

图43是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管制备方法四种具体实施方式单个元胞的制作过程流程图。

图44是现有技术门阴极结的门极换流晶闸管在导通状态下的电流分布示意图。

图45是具有本发明门阴极结的门极换流晶闸管在导通状态下的电流分布示意图。

图中：1-P+阳极区，2-N′缓冲层，3-N-衬底，4-P基区，5-P+短基区，6-N+发射区，7-阳极金属电极，8-门极金属电极，9-阴极金属电极，10-J1结，11-J2结，12-门阴极结，13-第二层台阶，14-第一层台阶。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

PN结（PN Junction）：半导体中P型掺杂区域和N型掺杂区域的边界线。

GCT（Gate Commutated Thyristors）：门极换流晶闸管，由众多元胞并联而成。每一个元胞从阳极到阴极都包含P+、N′、N-、P、P+、N+六层，其中有3个PN结，分别是P+N′的J1结，N-P的J2结以及P+N+的J3结。

门阴极结：晶闸管中门阴极结为P型基区和N型发射区的PN结边界，也称为J3结。

电导调制效应：由于载流子浓度升高而使半导体导电能力显著提高的现象称为电导调制效应。

导通电流和导通压降：晶闸管导通时可以在很低的导通压降下通过大电流，导通状态下晶闸管表现为低的导通电阻。本发明的晶闸管门阴极结结构可以改善晶闸管的导通特性，实际上是通过增大电导调制效应来减小导通电阻。体现在电流-电压特性上为在相同导通压降下提高导通电流，或者说相同导通电流下降低导通压降。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图9-11、13-43、45所示，给出了本发明一种晶闸管门阴极结及其制备方法在一种典型的晶闸管器件—门极换流晶闸管（GCT，Gate Commutated Thyristors）上的具体应用实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

从附图3中可以明显看到，原有晶闸管虽然从N+发射区6有大量的电子注入，但由于P+短基区5的掺杂浓度很高，提供了大量的空穴，电子在该处与空穴复合从而降低了P基区4和N-衬底3的电子注入量，这就成了限制电导调制效应的因素。于是减少电子在P+短基区5的复合，就可以提高器件导通状态的电流容量和开通速度。

由现有技术的描述可知，晶闸管器件内部的杂质分布（器件纵向）决定了导通时电导调制效应的强弱，也就决定了器件的导通性能。同时，器件的导通性能也取决于浓度分布具体应用在横向结构中的位置，比如靠近门极还是远离门极。因此，由分析可知，通过优化器件结构使器件的电导调制效应增强就可以提高器件的导通电流。

本发明的目的就是设计一种采用新型门阴极结的晶闸管来减少N+发射区6注入的电子在P+短基区5和P基区4的复合，增强晶闸管的电导调制效应，提高晶闸管的导通电流（导通电流的提高也意味着同等导通电流下有更低的导通压降）和开通速度。

为解决以上技术问题，本发明提供了如附图10示出的一种晶闸管门阴极结的具体实施方式，晶闸管包括N-衬底3、P基区4、P+短基区5、N+发射区6、门极金属电极8和阴极金属电极9。N+发射区6、P+短基区5、P基区4、N-衬底3从上至下依次排布。阴极金属电极9设置在N+发射区6的外表面，门极金属电极8设置在P+短基区5的外表面。晶闸管的门阴极结12为二层台阶结构，第一层台阶14为浅台阶，第一层台阶14的底部为P+N+边界。第二层台阶13为深台阶，第二层台阶13的底部为PN+边界。第二层台阶13要深于第一层台阶14。

如附图9所示，本发明还提供了一种采用如附图10示出门阴极结的门极换流晶闸管的具体实施方式，一种采用本发明门阴极结的门极换流晶闸管，包括一个以上的元胞，元胞进一步包括：P+阳极区1、N′缓冲层2、N-衬底3、P基区4、P+短基区5、N+发射区6、阳极金属电极7、门极金属电极8和阴极金属电极9。N+发射区6、P+短基区5、P基区4、N-衬底3、N′缓冲层2、P+阳极区1从上至下依次排布。阴极金属电极9设置在N+发射区6的外表面，阳极金属电极7设置在P+阳极区1的外表面，门极金属电极8设置在N+发射区6两侧的P+短基区5的外表面。在P+阳极区1与N′缓冲层2之间形成J1结10，在N-衬底3与P基区4之间形成J2结11，在门极换流晶闸管的门极和阴极之间形成J3结，即门阴极结12。

如附图10所示为附图9中B部分的局部放大图，在晶闸管的门极和阴极之间形成的门阴极结12为二层台阶结构，第一层台阶14为浅台阶，第一层台阶14的底部为P+N+边界。第二层台阶13为深台阶，第二层台阶13的底部为PN+边界。本发明具体实施方式描述的技术方案在原有门阴极结一个台阶的基础上，通过减少阴极下方的P型杂质量来形成结深更深的第二个台阶。

作为一种较佳的实施方式，门阴极结12边界的P型杂质浓度进一步为1×10¹⁶cm^-3至5×10¹⁹cm^-3。门阴极结12第二层台阶13的深度Lc进一步满足：10μm≤Lc≤50μm。门阴极结12第二层台阶13的宽度Lb进一步满足：0＜Lb≤300μm。N+发射区6两侧P+短基区5之间的间距L进一步满足：0＜L≤300μm。

作为一种典型的实施方式，P+短基区5的掺杂杂质进一步为硼或铝，N+发射区6的掺杂杂质进一步为磷，P基区4的掺杂杂质进一步为铝。门阴极结12第二层台阶13的电流密度高于第一层台阶14的电流密度。

进一步通过对P+短基区5进行P+扩散的掩膜尺寸调节门阴极结12第二层台阶13的水平宽度。同时，通过对N+发射区6进行N+推进或对晶闸管的初始衬底进行P′扩散调节门阴极结12第二层台阶13的深度。

采用本发明门阴极结的晶闸管不仅减小了阴极下方的P型区宽度（即结深更深），更重要的是减少了P型区的P型杂质总量。这样做可以减少N+发射区6注入的电子在P基区4的复合，从而提高电导调制效应，使晶闸管的导通电流增加（在相同电流下则意味降低导通压降），开通速度也将加快。

为了更方便地理解采用本发明门阴极结的门极换流晶闸管特性，可以通过比较两种门阴极结的纵向掺杂分布和导通时的载流子（电子和空穴）的分布以及电流密度分布。分别采用原有门阴极结和本发明门阴极结的门极换流晶闸管阴极下方的纵向掺杂分布如附图11所示，本发明门阴极结减小了阴极下方的P基区4的浓度，所以结深更深。

从附图11中也可以看到N+发射区6的掺杂浓度不变，原有结构的门阴极结边界的P型杂质浓度约18次方，而本发明门阴极结P型浓度约为17次方，P型杂质浓度的降低将大大减弱发射区注入的电子在P基区4的复合，从而可以有更多的电子注入到P基区4和N-衬底3参与导电，增强晶闸管的电导调制效应。

本发明具体实施方式所描述的门极换流晶闸管与背景技术部分的日本三菱电气株式会社晶闸管专利中提到的技术实现方式有两个大的不同点：

第一、本发明增加J3结（门阴极结12）结深的位置在阴极的正下方，远离门极，而不是门极附近；

第二、本发明增加J3结结深的方法是通过不进行P+掺杂或采用更低的P′型浓度来代替P+进行掺杂，而不是增加N+杂质的总量（在附图11中N+掺杂不变）。由于实现方法不同，结构也完全不同。

通过计算得到分别采用原有和本发明门阴极结的门极换流晶闸管在同样正向压降下的电流密度。附图12是原有门阴极结门极换流晶闸管导通时的电流密度分布，在门阴极结12的底部，电流密度接近，但结边缘的电流密度略有提高，因为当门极注入电流后，门阴极结12的边缘部分最先开通。

附图13是采用本发明门阴极结的门极换流晶闸管导通时的电流密度分布，深台阶处电导调制效应更强，电流密度也基本集中在深台阶位置。

为了体现本发明门阴极结有更强的导通电流能力，分别比较两种结构在纵向截线（如附图12中所示的“BB′”线）和横向截线（如附图12中所示的“AA′”线）的Y方向（即从阳极到阴极方向）电流密度。

如附图14所示是纵向截线电流密度分布的比较，本发明两层台阶结构的门阴极结门极换流晶闸管的电流密度明显高于原有门阴极结构的门极换流晶闸管。

如附图15所示是横向截线电流密度的比较，采用本发明门阴极结的门极换流晶闸管的电流密度也明显大于采用原有门阴极结的门极换流晶闸管，而且附图15中采用本发明门阴极结的门极换流晶闸管的电流密度分布反映出了本发明门阴极结的结构（如图中虚线部分所示），从而可以判定，门阴极结12的深台阶宽度可以调节门极换流晶闸管的导通电流能力。

如附图16和17所示分别是导通时的电子浓度分布和空穴浓度分布，采用本发明门阴极结的电子浓度和空穴浓度要显著高于原有门阴极结的门极换流晶闸管，也就是电导调制效应要更强，这是本发明门阴极结12提高导通电流能力的根本原因。

需要特别指出的是，虽然在本发明具体实施方式中，仅以一种典型的晶闸管器件—门极换流晶闸管（GCT）为例对本发明的具体技术方案进行了介绍，但是本发明不仅可以用于门极换流晶闸管结构及其制备方法，也可以应用于其他任何类型晶闸管器件的结构及其制备方法。对于不同类型晶闸管器件之间的区别，在于其结构中P+阳极区1的浓度和厚度不同，是否有N′缓冲层2。

如附图22至42所示，本发明进一步给出了一种晶闸管门阴极结及具有该结构的门极换流晶闸管制备方法的具体实施方式，如附图18和19所示，可以采用两种思路进行本发明晶闸管门阴极结的制备。在具体实施方式当中，也以门极换流晶闸管为例对本发明具体实施方式的技术方案进行介绍。

一种方法是进行选择性P+短基区5扩散，如附图18所示，可由P+扩散边界来决定深台阶的宽度Lb，图中浅台阶的宽度La也是可调的。第二种方法是在P+短基区5选择性扩散的基础上，再加上P′掺杂。如附图19所示，第二种方法除了能控制深台阶的宽度，也能通过引入P′来调节深台阶的深度。这两种方法都能实现本发明具有两层台阶结构的晶闸管门阴极结。

如附图20所示是导通电流能力的比较，其中横轴是P+选择性扩散的边界距离（对应附图18中的Lb）。原有门阴极结的门极换流晶闸管的导通电流只有2200A，采用本发明的晶闸管的导通电流则随着深台阶的宽度增加而增加。P+选择性扩散形成本发明门阴极结的门极换流晶闸管导通电流要显著高于原有门阴极结的门极换流晶闸管，在P+选择性扩散基础上再增加一层P′层，会增加电子的复合，略为降低电导调制效应，于是导通电流的增加量也要小于P+选择性扩散。

如附图21所示是分别采用两种门阴极结制备方法的门极换流晶闸管导电能力增加幅度，P+选择性扩散方式形成的门阴极结门极换流晶闸管的电流增加幅度要高于有P′的门阴极结门极换流晶闸管，导通速度提高的幅度也符合附图21中导通电流的增加幅度。

具体的技术实施方案主要有两种实现方法，分别是减小阴极下方P型区宽度的方法可以是选择性地在阴极下方不进行P+扩散或者用比P+掺杂浓度更低的P′来代替P+，分别对应于附图18和附图19。由于按照组合的思想，P+选择性扩散和P基区扩散的先后有两种（P+扩散的先后决定了P+的杂质类型的选择），是否进行P′扩散又有两种，因此本发明晶闸管门阴极结及具有该结构的门极换流晶闸管制备方法一共有四种技术实现方案。

如附图43所示，下面将通过器件单个元胞制备步骤的剖面示意图来说明本发明晶闸管门阴极结及具有该结构的门极换流晶闸管的四种制造流程。

实施例1：

如附图43中A流程所示的一种门极换流晶闸管制备方法的具体实施方式，门极换流晶闸管包括一个以上的元胞，门极换流晶闸管制备方法包括一个以上门极换流晶闸管元胞的制备方法，其中，单个门极换流晶闸管元胞的制备方法包括以下步骤：

S101：准备N-型衬底，如附图22所示；

S102：对N-型衬底的正面进行选择性P+扩散处理，形成P+短基区5，如附图23所示，图中两个P+短基区5之间的宽度L是可调的；

S103：对N-型衬底的正面进行P扩散处理，形成P基区4，并在P基区4与N-衬底3之间形成J2结11，如附图24所示；

S104：对N-型衬底的背面进行N′扩散处理，形成N′缓冲层2，如附图25所示；

S105：对经过上述处理的N-型衬底正面进行N+预沉积处理形成N+层，如附图26所示；

S106：对经过上述处理的N-型衬底正面进行门极刻蚀处理，刻蚀掉门极位置上方的N+层，如附图27所示；

S107：对N+层进行N+推进形成二层台阶结构的门阴极结12，如附图28所示；

S108：对经过上述处理的N-型衬底的背面进行P+扩散处理，形成P+阳极区1，如附图29所示；

S109：对经过上述处理的N-型衬底正面进行金属沉积和刻蚀处理，分别形成阴极金属电极9和门极金属电极8，如附图30所示；

S110：对经过上述处理的N-型衬底的背面进行金属沉积处理，形成阳极金属电极7，如附图31所示；

形成N+发射区6、P+短基区5、P基区4、N-衬底3、N′缓冲层2、P+阳极区1从上至下依次排布，N+发射区6的外表面设置有阴极金属电极9，P+阳极区1的外表面设置有阳极金属电极7，N+发射区6两侧的P+短基区5的外表面设置有门极金属电极8的单个门极换流晶闸管元胞结构。

对于本发明晶闸管门阴极结的制备方法只需省略上述步骤中的步骤S104、S108、S110即可。该晶闸管门阴极结的制备方法可以应用于其他所有的晶闸管器件的制备。对于具体不同类型的晶闸管器件制备方法之间的差别，在于其中阳极面的处理过程，如：步骤S104中的是否进行N-型衬底的背面（阳极面）N′扩散处理，步骤S108中的P+扩散处理（透明阳极制作）过程等。

实施例2：

如附图43中C流程所示的一种门极换流晶闸管制备方法的具体实施方式，门极换流晶闸管包括一个以上的元胞，门极换流晶闸管制备方法包括一个以上门极换流晶闸管元胞的制备方法，单个门极换流晶闸管元胞的制备方法包括以下步骤：

S301：准备N-型衬底；

S302：对N-型衬底的正面进行P扩散处理，形成P基区4，并在P基区4与N-衬底3之间形成J2结11；

S303：对N-型衬底的正面进行选择性P+扩散处理，形成P+短基区5；

S304：对N-型衬底的背面进行N′扩散处理，形成N′缓冲层2；

S305：对经过上述处理的N-型衬底正面进行N+预沉积处理形成N+层；

S306：对经过上述处理的N-型衬底正面进行门极刻蚀处理，刻蚀掉门极位置上方的N+层；

S307：对N+层进行N+推进形成二层台阶结构的门阴极结12；

S308：对经过上述处理的N-型衬底的背面进行P+扩散处理，形成P+阳极区1；

S309：对经过上述处理的N-型衬底正面进行金属沉积和刻蚀处理，分别形成阴极金属电极9和门极金属电极8；

S310：对经过上述处理的N-型衬底的背面进行金属沉积处理，形成阳极金属电极7；

形成N+发射区6、P+短基区5、P基区4、N-衬底3、N′缓冲层2、P+阳极区1从上至下依次排布，N+发射区6的外表面设置有阴极金属电极9，P+阳极区1的外表面设置有阳极金属电极7，N+发射区6两侧的P+短基区5的外表面设置有门极金属电极8的单个门极换流晶闸管元胞结构。

对于本发明晶闸管门阴极结的制备方法只需省略上述步骤中的步骤S304、S308、S310即可。

在上述两种实施方式当中，进一步采用铝作为掺杂杂质对P基区4进行P扩散处理，进一步采用硼作为掺杂杂质对P+短基区5进行选择性P+扩散处理，进一步采用磷作为掺杂杂质对N+发射区6进行N+预沉积和N+推进处理。

具体实施例1和2均为选择性扩散P+的技术实施方案。P+的选择性扩散的方法是通过P+掺杂时选择性的不在阴极下方扩散从而形成本发明两层台阶门阴极结的晶闸管结构。主要步骤是在N-衬底上选择性扩散P+，扩散P基区形成J2结11，表面N+预沉积，门极刻蚀，N+推进，金属沉积和刻蚀。选择性扩散P+的技术实施方案的特点是本发明门阴极结的第一层台阶是P+N+边界，结深较浅；第二层台阶为PN+边界，结深较深。通过P+扩散的掩膜尺寸可以调节本发明门阴极结深浅两个台阶的水平宽度，从而优化晶闸管器件的特性。

实施例3：

如附图43中B流程所示的一种门极换流晶闸管制备方法的具体实施方式，门极换流晶闸管包括一个以上的元胞，门极换流晶闸管制备方法包括一个以上门极换流晶闸管元胞的制备方法，单个门极换流晶闸管元胞的制备方法包括以下步骤：

S201：准备N-型衬底，如附图32所示；

S202：对N-型衬底的正面进行P′扩散处理，如附图33所示；

S203：对N-型衬底的正面进行选择性P+扩散处理，形成P+短基区5，如附图34所示；

S204：对N-型衬底的正面进行P扩散处理，形成P基区4，并在P基区4与N-衬底3之间形成J2结11，如附图35所示；

S205：对N-型衬底的背面进行N′扩散处理，形成N′缓冲层2，如附图36所示；

S206：对经过上述处理的N-型衬底正面进行N+预沉积处理形成N+层，如附图37所示；

S207：对经过上述处理的N-型衬底正面进行门极刻蚀处理，刻蚀掉门极位置上方的N+层，如附图38所示；

S208：对N+层进行N+推进形成二层台阶结构的门阴极结12，如附图39所示；

S209：对经过上述处理的N-型衬底的背面进行P+扩散处理，形成P+阳极区1，如附图40所示；

S210：对经过上述处理的N-型衬底正面进行金属沉积和刻蚀处理，分别形成阴极金属电极9和门极金属电极8，如附图41所示；

S211对经过上述处理的N-型衬底的背面进行金属沉积处理，形成阳极金属电极7，如附图42所示；

形成N+发射区6、P+短基区5、P基区4、N-衬底3、N′缓冲层2、P+阳极区1从上至下依次排布，N+发射区6的外表面设置有阴极金属电极9，P+阳极区1的外表面设置有阳极金属电极7，N+发射区6两侧的P+短基区5的外表面设置有门极金属电极8的单个门极换流晶闸管元胞结构。

对于本发明晶闸管门阴极结的制备方法只需省略上述步骤中的步骤S205、S209、S211即可。

实施例4：

如附图43中D流程所示的一种门极换流晶闸管制备方法的具体实施方式，门极换流晶闸管包括一个以上的元胞，门极换流晶闸管制备方法包括一个以上门极换流晶闸管元胞的制备方法，单个门极换流晶闸管元胞的制备方法包括以下步骤：

S401：准备N-型衬底；

S402：对所述N-型衬底的正面进行P′扩散处理；

S403：对所述N-型衬底的正面进行P扩散处理，形成P基区4，并在P基区4与N-衬底3之间形成J2结11；

S404：对N-型衬底的正面进行选择性P+扩散处理，形成P+短基区5；

S405：对N-型衬底的背面进行N′扩散处理，形成N′缓冲层2；

S406：对经过上述处理的N-型衬底正面进行N+预沉积处理形成N+层；

S407：对经过上述处理的N-型衬底正面进行门极刻蚀处理，刻蚀掉门极位置上方的N+层；

S408：对N+层进行N+推进形成二层台阶结构的门阴极结12；

S409：对经过上述处理的N-型衬底的背面进行P+扩散处理，形成P+阳极区1；

S410：对经过上述处理的N-型衬底正面进行金属沉积和刻蚀处理，分别形成阴极金属电极9和门极金属电极8；

S411：对经过上述处理的N-型衬底的背面进行金属沉积处理，形成阳极金属电极7；

形成N+发射区6、P+短基区5、P基区4、N-衬底3、N′缓冲层2、P+阳极区1从上至下依次排布，N+发射区6的外表面设置有阴极金属电极9，P+阳极区1的外表面设置有阳极金属电极7，N+发射区6两侧的P+短基区5的外表面设置有门极金属电极8的单个门极换流晶闸管元胞结构。

对于本发明晶闸管门阴极结的制备方法只需省略上述步骤中的步骤S405、S409、S411即可。

在上述具体实施例3和4中，进一步采用硼作为掺杂杂质对N-型衬底的正面进行P′扩散处理，进一步采用硼或铝作为掺杂杂质对P+短基区5进行选择性P+扩散处理，进一步采用铝作为掺杂杂质对P基区4进行P扩散处理，进一步采用磷作为掺杂杂质对N+发射区6进行N+预沉积和N+推进处理。

具体实施例3和4均为选择性扩散P+结合P′掺杂的技术实施方案，即：P+选择性地不在阴极下方进行扩散，并结合整面P′扩散。该方案是在P+选择性扩散的基础上增加一次P′扩散，P′扩散的浓度低于P+。

在上述具体实施例1-4中，通过掩膜阻挡方式实现选择性P+扩散处理，P+短基区5之间的间距通过掩膜的宽度进行设定。门阴极结12第二层台阶13的宽度通过选择性P+扩散的边界来确定。同时，进一步将P+短基区5之间的间距L设置为：0＜L≤300μm。通过对N-型衬底的正面进行P′扩散调节门阴极结12第二层台阶13的深度。对N-型衬底的正面进行P′扩散处理的浓度低于对P+短基区5进行选择性P+扩散处理的浓度。

作为一种典型的实施方式，采用1×10¹⁶cm^-3至5×10¹⁹cm^-3的掺杂浓度对门阴极结12的边界进行P型杂质的掺杂处理。将门阴极结12第二层台阶13的深度Lc进一步设置为：10μm≤Lc≤50μm。将门阴极结12第二层台阶13的宽度Lb进一步设置为：0＜Lb≤300μm。

本发明晶闸管实际是由众多元胞并联而成的，而具体实施方式所描述的技术方案内容是晶闸管中单个元胞的结构及其制备方法。

为了比较两种门阴极结器件的通态电流能力，采用仿真的方法计算在同样正向压降下的电流密度。如附图44所示是现有技术门极换流晶闸管器件导通时的电流密度分布，在门阴极结上，越靠近结边缘其电流密度越高。因为当门极注入电流后，门阴极结的边缘部分最先开通，这部分的导通电流密度也就最高。

如附图45所示是采用本发明方法制备的门极换流晶闸管导通时的电流密度分布。由于距离关系，虽然门极注入电流后先开通门阴极结的边缘，但深台阶处P基区4的宽度更小，电导调制效应更强，电流密度也基本集中在深台阶位置。

为了体现本发明门阴极结门极换流晶闸管能增大导通电流，分别比较两种结构在横向截线（如附图44和45中所示的线“AA′”）和纵向截线（如附图44和45中所示的线“BB′”）的Y方向（阳极指向阴极方向）电流密度。从附图44中的C部分可以看出，门阴极结12边缘的电流密度要略微高出。从附图45中的D部分可以看出，在深台阶位置的电流密度要明显高出。如附图14所示是纵向截线上电流密度的比较，深台阶处的电流密度明显大于浅台阶处的电流密度。如附图15所示是横向截线电流密度分布的比较，本发明两层台阶结构的门阴极结的电流密度也明显提高。

这四种具体实施例技术方案的各自特点是：

实施例1：P+选择性扩散在P基区4扩散前，P+掺杂杂质为硼；

实施例3：有P′扩散，P′的杂质为硼。P+选择性扩散在P基区4扩散前，P+掺杂杂质为硼或铝；

实施例2：P基区4在P+选择性扩散前，P+掺杂杂质为硼；

实施例4：有P′扩散，P′的杂质为硼，P基区4扩散在P+选择性扩散前，P+掺杂杂质为硼或铝。

采用本发明方法制备的门极换流晶闸管，其阴极下方的门阴极结深更深，门阴极结12形状近似为两层台阶，能够有效的提高导通电流。由于减小了P型区的宽度，N+发射区6的电子注入提高，增强了电导调制效应，使导通电流增大。电流增加幅度可以高达3倍。同时，还降低了导通压降，增加导通电流也意味着在同等导通电流下具有更低的导通压降。

采用本发明方法制备的晶闸管可以提高开通速度。本发明的晶闸管门阴极结12相当于在原有结构的基础上使阴极下方的晶闸管成分导电能力更强，新的部分导通电流能力的提高可以有效提高器件的开通速度，开通速度最高可以提高2～3倍。

采用本发明方法制备的晶闸管门阴极结12的宽度和深度可调，由此可以独立设计晶闸管元胞的开通和导通特性，独立设计元胞的电流值。本发明晶闸管的门阴极结12采用深浅两层台阶，而其中的深台阶电流密度显著高于浅台阶，因此可以通过设计两层台阶的宽度和高度来设计每一个阴极条的电流值。

本发明具体实施方式描述的晶闸管门阴极结制备方法技术方案可应用于所有类型晶闸管器件的制备。因为门极换流晶闸管也属于晶闸管器件的一种，因此本发明所述的两层台阶结构的门阴极结制备方法也可用于其他类型晶闸管的制备。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (12)

1.一种晶闸管门阴极结，所述晶闸管包括N-衬底（3）、P基区（4）、P+短基区（5）、N+发射区（6）、门极金属电极（8）和阴极金属电极（9）；所述N+发射区（6）、P+短基区（5）、P基区（4）、N-衬底（3）依次排布，所述阴极金属电极（9）设置在所述N+发射区（6）的外表面，所述门极金属电极（8）设置在所述P+短基区（5）的外表面，其特征在于：所述晶闸管的门阴极结（12）为二层台阶结构，第一层台阶（14）为浅台阶，所述第一层台阶（14）的底部为P+N+边界；第二层台阶（13）为深台阶，所述第二层台阶（13）的底部为PN+边界。

2.根据权利要求1所述的一种晶闸管门阴极结，其特征在于：所述门阴极结（12）的第二层台阶（13）边界的P型杂质浓度为1×10¹⁶cm^-3至5×10¹⁹cm^-3。

3.根据权利要求1或2所述的一种晶闸管门阴极结，其特征在于：所述门阴极结（12）第二层台阶（13）的深度Lc满足：10μm≤Lc≤50μm。

4.根据权利要求3所述的一种晶闸管门阴极结，其特征在于：所述门阴极结（12）第二层台阶（13）的宽度Lb满足：0＜Lb≤300μm。

5.根据权利要求1、2、4中任一权利要求所述的一种晶闸管门阴极结，其特征在于：所述N+发射区（6）两侧P+短基区（5）之间的间距L满足：0＜L≤300μm。

6.根据权利要求5所述的一种晶闸管门阴极结，其特征在于：所述P+短基区（5）的掺杂杂质为硼或铝。

7.根据权利要求6所述的一种晶闸管门阴极结，其特征在于：所述N+发射区（6）的掺杂杂质为磷。

8.根据权利要求7所述的一种晶闸管门阴极结，其特征在于：所述P基区（4）的掺杂杂质为铝。

9.根据权利要求6至8中任一权利要求所述的一种晶闸管门阴极结，其特征在于：所述门阴极结（12）第二层台阶（13）的电流密度高于所述第一层台阶（14）的电流密度。

10.根据权利要求9所述的一种晶闸管门阴极结，其特征在于：通过对P+短基区（5）进行P+扩散的掩膜尺寸调节所述门阴极结（12）第二层台阶（13）的水平宽度。

11.根据权利要求1、2、4、6-8、10中任一权利要求所述的一种晶闸管门阴极结，其特征在于：通过对N+发射区（6）进行N+推进或对晶闸管的初始衬底进行P′扩散调节所述门阴极结（12）第二层台阶（13）的深度。

12.一种具有如权利要求1、2、4、6-8、10中任一权利要求所述门阴极结的门极换流晶闸管，该门极换流晶闸管包括一个以上的元胞，其特征在于，所述元胞进一步包括：P+阳极区（1）、N′缓冲层（2）、N-衬底（3）、P基区（4）、P+短基区（5）、N+发射区（6）、阳极金属电极（7）、门极金属电极（8）和阴极金属电极（9）；所述N+发射区（6）、P+短基区（5）、P基区（4）、N-衬底（3）、N′缓冲层（2）、P+阳极区（1）依次排布，所述阴极金属电极（9）设置在所述N+发射区（6）的外表面，所述阳极金属电极（7）设置在所述P+阳极区（1）的外表面，所述门极金属电极（8）设置在所述N+发射区（6）两侧的P+短基区（5）的外表面，在所述门极金属电极（8）和阴极金属电极（9）之间形成门阴极结（12）。