CN103378143A - 一种带缓冲层结构晶闸管 - Google Patents

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张桥
颜家圣
刘小俐
杨宁
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Abstract

本发明的名称为一种带缓冲层结构晶闸管。属于功率半导体器件技术领域。它主要是解决现有晶闸管在应用于高频大功率变流电源和脉冲功率电源时，存在压降大和开通速度慢等问题。它的主要特征是包括管壳和封装在该管壳内的PNPN四层三端结构的半导体芯片；半导体芯片在P1区和N1区之间加入一个缓冲层N0区，N1区的表面浓度比N0区高10~200倍，又比P1区表面浓度低50~500倍。本发明具有在应用于大功率变流电源和脉冲功率电源时，能明显降低通态压降，从而改善通态能力和提高工作可靠性，同时可更优化内部结构，降低大注入的储存电荷，改善恢复软度的特点，主要用于大功率脉冲电源装置。

Description

一种带缓冲层结构晶闸管
技术领域
本发明属于功率半导体器件技术领域。具体涉及一种半导体开关器件，主要应用于大功率变流电源，特别是大功率脉冲电源。
背景技术
晶闸管是一种PNPN四层三端结构的半导体器件。通常制造方法是在N型硅片两端同时进行P型掺杂，先形成对称的PNP结构。然后在阴极端P区进行N型的选择性扩散掺杂，最终形成PNPN结构，如图1。P1阳极区与P2阴极端区的掺杂结深和杂质浓度分布相同，N1长基区层较厚。N2为阴极区。
在一些要求快开通和快关断的电气系统中，上述结构的晶闸管因工作频率较低而受到局限。如果通过工艺手段降低少数载流子寿命虽然能提高开关速度，但同时也使器件功率损耗明显增加。
发明内容
本发明的目的就是针对上述不足，提出了一种可应用于较高频率变流电源、特别是大功率脉冲电源的半导体开关器件，即一种带缓冲层晶闸管。能明显减小开通时间，降低通态压降，从而改善开通速度和通态能力，提高工作可靠性，同时亦可改善特性。
本发明的技术解决方案是：一种带缓冲层结构晶闸管，包括管壳和封装在该管壳内的PNPN四层三端结构的半导体芯片，四层为P1阳极区、N1长基区、阴极端P2区和N2阴极区，三个端子分别为阳极、阴极和门极，其特征是：在所述的半导体芯片P1阳极区和N1长基区之间加入一个缓冲层N0区；该缓冲层N0区的表面浓度比N1长基区高，又比P1阳极区表面浓度低。
本发明技术解决方案中所述的缓冲层N0区的表面浓度比N1长基区高20~200倍，又比P1阳极区表面浓度低50~500倍。
本发明技术解决方案中所述的P1阳极区的结深是15~50μm；阴极端P2区的结深是40~130μm；N1长基区的厚度是100~500μm；缓冲层N0区的厚度是10~60μm。
本发明技术解决方案中所述的缓冲层N0区是通过杂质扩散形成的。
本发明技术解决方案中所述的缓冲层N0区是通过外延形成的。
本发明由于在传统PNPN四层三端晶闸管结构中的P1阳极区和N1长基区之间加入N型缓冲层N0区，并且表面杂质浓度比N1长基区高，比P1阳极区表面浓度低，因而使得PN结在承受反向高压时空间电荷层可以更薄，N1长基区可以更薄，利于降低器件开通时间，降低通态压降和开通损耗。本发明具有在应用于大功率变流电源和脉冲功率电源时，能明显降低通态压降，从而改善通态能力和提高工作可靠性，同时可更优化内部结构，降低大注入的储存电荷，改善恢复软度的特点。本发明主要用于大功率脉冲电源装置。
附图说明
图1是晶闸管芯片结构图。
图2是本发明的芯片结构图。
图3是带缓冲层结构晶闸管硅芯片制造的工艺流程图。
具体实施方式
如图2所示。本发明缓冲层结构晶闸管包括管壳和封装在该管壳内的PNPN四层三端结构的半导体芯片，四层为P1阳极区1、N1长基区2、阴极端P2区3和N2阴极区4，三个端子分别为阳极A、阴极K和门极G。P1阳极区1的结深是15~50μm；阴极端P2区3的结深是45~130μm；N1长基区2的厚度是100~500μm；缓冲层N0区8的厚度是10~60μm。缓冲层N0区8杂质浓度比N1长基区2高，但比P1阳极区1低。缓冲层N0区8是通过杂质扩散形成的，也可以是外延形成的。
带缓冲层结构晶闸管的硅芯片制造工艺流程图如图3所示。
硅单晶选用NTD材料，根据不同的应用要求选择硅片的电阻率和厚度。总厚度的选取既要求保证N1+N0区实现器件正向耐压的要求，又不至于增加压降。
双面P型扩散：对硅片双面同时进行第一次P型杂质扩散，杂质源可以是镓（Ga）或铝（Al）。结深45~120μm，表面浓度1.5~8x1017cm-3。
单面减薄：通过研磨、喷砂和化学腐蚀等方法，完全去除阳极端的P型扩散区。
缓冲层扩散：先将阴极端P区做表面氧化处理。然后在阳极端N区做高浓度N型杂质扩散。结深10~60μm，表面浓度2x1016~5x1018。
缓冲层也可通过外延的方法获得，即在N1长基区2表面通过外延生长一层N型层。外延法制造的半导体器件性能更好但成本高。
P+扩散：经过氧化、光刻处理，对N型阳极端表面作高浓度P型扩散，形成P+高浓度区。即为阳极区，结深10~50μm。
N+扩散：再对阴极端P区表面做选择性高浓度N型杂质扩散，形成N+高浓度区。即为P1阴极区1，结深12~28μm，表面浓度2x1019~9.5x1020。
将做好的晶闸管硅晶片烧结在钼片上，对阴极端P2区3和N2阴极区4表面进行金属蒸镀后再选择性刻蚀，清晰分离出所需要的图形和门极5、阴极6，钼片作为芯片的阳极7。最后将芯片安装到定制的标准管壳中，完成本发明带缓冲层晶闸管的最终封装和测试。

Claims (5)

1.一种带缓冲层结构晶闸管，包括管壳和封装在该管壳内的PNPN四层三端结构的半导体芯片，四层为P1阳极区（1）、N1长基区（2）、阴极端P2区（3）和N2阴极区（4），三个端子分别为阳极（7）、阴极（6）和门极（5），其特征是：在所述的半导体芯片P1阳极区（1）和N1长基区（2）之间加入一个缓冲层N0区（8）；该缓冲层N0区（8）的表面浓度比N1长基区（2）高，又比P1阳极区（1`）表面浓度低。
2.根据权利要求1所述的一种带缓冲层结构晶闸管，其特征在于：所述的缓冲层N0区的表面浓度比N1长基区高20~200倍，又比P1阳极区表面浓度低50~500倍。
3.根据权利要求1或2所述的一种带缓冲层结构晶闸管，其特征在于：所述的P1阳极区的结深是15~50μm；阴极端P2区的结深是40~130μm；N1长基区的厚度是100~500μm；缓冲层N0区的厚度是10~60μm。
4.根据权利要求1或2所述的一种带缓冲层结构晶闸管，其特征在于：所述的缓冲层N0区是通过杂质扩散形成的。
5.根据权利要求1或2所述的一种带缓冲层结构晶闸管，其特征在于：所述的缓冲层N0区是通过外延形成的。
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Citations (4)

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