CN103378144A - 脉冲功率晶闸管 - Google Patents
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Abstract
本发明的名称为脉冲功率晶闸管。属于功率半导体器件技术领域。它主要是解决现有普通晶闸管不能适应大功率脉冲电源应用要求，而传统脉冲功率器件易衰退、可靠性低、成本高或技术难度太高。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，四层为P1阳极区、N1长基区、P2短基区和N2阴极区，三个端子分别为阳极A、阴极K和门极G；所述的N2阴极区位于以P2短基区中心为圆心的圆环形区域内，且在N2阴极区内形成相互隔离的阴极小元胞，该各阴极小元胞并联形成阴极K；门极G位于N2阴极区的中心处。本发明具有简单、易用、低廉、可靠、良好的脉冲电流输出能力和较高的di/dt能力的特点；主要用于高功率脉冲电源。
Description
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，主要应用于大功率脉冲电源装置。
背景技术
晶闸管为四层三端结构。在门极和阴极间施加mA级的触发电流，可控制电流的开通，并通过反向换流技术实现关断。其特点是输出功率大、电压高、可靠性较高、成本较低。由于工艺简单，晶闸管适应的工作频率通常在1kHz以下，di/dt不超过1500A/μS。当前晶闸管最大平均通态电流可达5000A，其浪涌电流一般不超过80kA。
大功率脉冲电源通常要求的脉冲宽度大都在300μS以下，输出电流为几十甚至数百kA，远远超过晶闸管所能承受的浪涌电流极限。因此对开关器件的通态电流能力要求很高。相应要求di/dt也很高，不同应用场合其di/dt要求一般为5~60kA/μS。现代技术条件下，通常可选用气体间隙开关、汞闸流管、IGBT、IGCT、MosFET、RSD等器件作为脉冲功率开关器件。下表一是一些常用脉冲功率开关器件的特性比较：
发明内容
本发明的目的就是利用晶闸管简单、易用、低廉、可靠的优势，克服前述传统脉冲功率器件的不足，运用微电子设计技术和制造技术，通过改良晶闸管的结构设计，使新结构的晶闸管具有良好的脉冲电流输出能力和较高的di/dt能力，用于高功率脉冲电源的脉冲功率晶闸管。
本发明的技术解决方案是：一种脉冲功率晶闸管，属于大功率半导体开关器件，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、P2短基区和N2阴极区，三个端子分别为阳极A、阴极K和门极G，其特征是：所述的N2阴极区位于以P2短基区中心为圆心的圆环形区域内，且在N2阴极区内形成相互隔离的阴极小元胞，该各阴极小元胞并联形成阴极K；门极G位于N2阴极区的中心处。
本发明技术解决方案中所述的阴极小元胞的形状和尺寸是相同的，在N2阴极区内表面均匀排列。其目的是确保门极触发电流平均分配到各小元胞，实现各阴极元胞的同时开通，具有高的di/dt。
本发明技术解决方案中所述的阴极小元胞在N2阴极区内表面呈同心圆分层排列。
本发明技术解决方案中所述的各阴极小元胞是通过挖槽刻蚀芯片表面PN结成形的。如此可方便用平板铜块作阴极电联接。
本发明技术解决方案中所述的芯片阳极区P1的杂质浓度明显高于P2区，P1区的结深比P2区浅。高浓度的P1区能有效增加载流子的注入效率，有利于缩短器件的开通时间和降低开通压降，提高通流能力。本发明技术解决方案所述的脉冲功率晶闸管通常为非对称特性，即：正向有阻断电压，反向阻断电压能力明显低或几乎没有。
本发明具有简单、易用、低廉、可靠、良好的脉冲电流输出能力和较高的di/dt能力的特点。本发明主要用于高功率脉冲电源。
附图说明
图1是脉冲功率晶闸管芯片剖面结构图。
图2是脉冲功率晶闸管芯片平面图。
图3是本发明实施的芯片样品照片。
图4是本发明实施样品例制作过程方框图。
具体实施方式
本发明的实施样品按4000V设计，芯片规格50mm。实施样品例如制作过程方框图图4所示。脉冲功率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。
芯片是硅材料制作的。硅单晶选用NTD材料，电阻率近200Ω.cm，厚度约750μm。P1阳极区1的结深约50μm，表面浓度是5x1020cm-3。P1阳极区1和阴极端P2区3由双面同时进行P型杂质扩散获得，可以是Ga或Al。
将阴极端P2区3的表面保护好后，通过研磨、喷砂和化学腐蚀等方法，对硅片从P1端进行减薄处理。减薄后，将P1阳极区1和阴极端P2区3同时做表面氧化。然后对阴极端P2区3表面氧化层进行光控，再对阴极端P2区3表面做N型杂质扩散，形成N2阴极区4，结深约15μm，表面浓度约2x1021cm-3。
下一步是表面刻蚀。掩蔽图形事先设计好，按图形对硅片表面PN结进行选择刻蚀，刻蚀深度和速度对图形的分离非常重要。刻蚀完成后再生长保护膜、光刻，将阴极小元胞隔离出来。
然后将做好芯片的硅片烧结在钼片上，对阴极端P2区3和N2阴极区4表面进行金属蒸镀后再光刻，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，完成本发明脉冲功率晶闸管的最终封装和测试。
在器件的门极G和阴极K之间施加较小的触发电流（通常50mA~1000mA），晶闸管开通，可瞬时通过高达数百千安培的脉冲电流（脉冲宽度通常为20μS~500μS）,电流上升率di/dt可达10kA/μS。
晶闸管的开通都是从靠近门极的某个或几个点开始的。单个晶闸管初始开通的点较少，路径长，难以实现瞬时的大电流扩展，否则极易过流击穿。本发明技术解决方案所述的脉冲功率晶闸管，其半导体芯片阴极采用集成技术，由许多个小阴极元胞并联组成，如图2。每个小元胞就是一个小晶闸管，其目的是快速实现许多点开通，且路径很短。
表二是50mm相同规格的晶闸管和脉冲功率晶闸管主要静态指标和脉冲峰值电流、di/dt测试对比：
以上试验结果表明：普通晶闸管di/dt可达到1500A/μS，难以达到2000A/μS，而脉冲功率晶闸管都能达到5000A/μS，具有明显优势；脉冲功率晶闸管比普通晶闸管具有高得多的脉冲电流能力，差距达到近2倍。
发明人又试做了若干只3.5"芯片的脉冲功率晶闸管。经过测试和试验，di/dt都通过5kA/μS，部分可通过10kA/μS。250μS脉宽下可通过150kA电流。经过理论推算，4"芯片的脉冲电流可达到200kA。
Claims (5)
1.一种脉冲功率晶闸管，属于大功率半导体开关器件，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、P2短基区和N2阴极区，三个端子分别为阳极A、阴极K和门极G，其特征是：所述的N2阴极区位于以P2短基区中心为圆心的圆环形区域内，且在N2阴极区内形成相互隔离的阴极小元胞，该各阴极小元胞并联形成阴极K；门极G位于N2阴极区的中心处。
2.根据权利要求1所述的脉冲功率晶闸管，其特征在于：所述的阴极小元胞的形状和尺寸是相同的，在N2阴极区内表面均匀排列。
3.根据权利要求1或2所述的脉冲功率晶闸管，其特征在于：所述的阴极小元胞在N2阴极区内表面呈同心圆分层排列。
4.根据权利要求1或2所述的脉冲功率晶闸管，其特征在于：所述的各阴极小元胞是通过挖槽刻蚀芯片表面PN结成形的。
5.根据权利要求1或2所述的脉冲功率晶闸管，其特征在于：所述的芯片阳极区P1的杂质浓度高于P2区，P1区的结深比P2区浅。
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