CN1040266C - 可关断晶闸管 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种GTO，此种GTO从阳极一侧主平面(2)起包括一个阳极发射区(6)、一个抑止层(11)、一个n-基区(7)、一个P-基区(8)和一个阴极发射区(9)。阳极发射区(6)制成透明发射区并且具有阳极短路区(10)。借助抑止层、透明阳极发射区和阳极短路区的组合得到一种GTO，它可以在较高的开关频率下工作，其基片厚度可以减小而其开关损耗并不增加。

Description

可关断晶闸管
本发明涉及功率半导体领域。本发明以可关断晶闸管(CateTurn Off Thyristor GTO门控可关断晶闸管)为基础。
由大量公开文献人们已熟悉这种类型的GTO。这里涉及一种典型的GTO，例如在欧洲专利文献EP-B1-0159797中所述的那种GTO。在阳极一侧和阴极一侧主平面之间这种可关断晶闸管从阳极开始包括一个P+掺杂的阳极发射区、一个n-基区、一个P-基区和一个n+掺杂的阴极区。由阴极区的接触区引出阴极，由P-基区的接触区引出控制板，用此电极启动和关断此器件。
为了改进GTO的电学特性，可以在阳极发射区设置阳极短路区。例如在欧洲专利文献EP-A1-0327901中叙述了这种技术措施。
当今这些GTO在大功率领域是新型变换器驱动装置的主要组成部件。此种器件及其在电路和控制方面的技术都已达到很高水平。各厂家在这方面都以一种相同的GTO基本方案为基础：在最大允许阻断电压下阳极前的耗尽区进入n-基区的准中性非耗尽区约100μm至200μm。这种结构英文专业术语一般表示为“non-punchthrough(非穿通)”方案(NPT-方案，NPT-GTO)。所以实际上阻断电压为4.5KV的器件需要基片厚度约800μm。这样的厚度使各厂家以很小的差别都达到最高开关频率300Hz至500Hz。这种频率的绝对高度由附带产生的开关损耗和冷却散热的物理限制所决定。
然而由于种种原因，用户倾向于使用更高的开关频率。原因之一是要求在供电网中减少高次谐波，NPT-方案已被充分利用，因而不可能期望对已达到的开关频率再有重大改进。
然而，如果在阳极一侧引入一个抑止层，那么就有可能使用低本底掺杂的基片。在这种结构中，在关断过程中，电荷在电场的作用下排出器件之外。因此与非穿通方案(NPT)相反，人们称这种结构为穿通方案(PT)。此方案在一个有关SiTh(StaticInduction Thyristor静态感应晶闸管)的美国专利US.5,001,535中已有论述。但是如果在这样一种PT方案中再引入有良好作用的阳极短路区，那么由于高掺杂的抑止层的作用这些短路区特别有效。于是低值导通和可靠的触发只有当阳极短路区面积所占比例在1％至3％时才有可能。但是实验表明，在此情况下关断损耗上升到了一种不可接受的高度。就提高开关频率而言，这种方案也没有什么可称谓的。这也就是为什么没有生产厂家把这种穿通方案的GTO开发成批量生产。
本发明的任务是提供一种GTO，可以提高开关频率而不增加开关损耗，同时可以减薄其基片厚度。
本发明的核心是，设计一种透明的、中间有阳极短路区的阳极发射区和一个抑止层的组合。
在小功率器件上已经使用了透明发射区，如光电池、二极管或者晶体管(见例如IEEE Transactions on Electron Devices，Vo1.ED-26，NO.6，June 1979，第959-965页)。简言之，透明阳极发射区可以理解为注入比较弱的阳极一侧的发射区。然而对此却可以把阴极一侧大部分电子流无复合地抽出，也就是抽出时不导致空穴的注入。
通常的技术观点认为，有透明发射区的PT GTO，由于其透明性，触发灵敏度很低，与此相反，在本发明的范围内，经深入的模拟和实验证实，透明发射区中阳极短路区与抑止层的组合导致出人意料的良好结果。与最初的估计相反，实验结果表明，一个透明的发射区在低电流密度范围内，在触发时，也能提供基本上与常规发射区同样高的注入效率。
这里的原因在于GTO的触发条件：由晶闸管的理论可知，器件的触发条件主要由各分晶体管的电流放大系数之和所决定。由于电流放大系数对阳极电流密度的依赖关系，电流放大系数不是常数。对于常规的商品NPT GTO而言，电流放大系数之和与阳极电流密度的关系显示出一种接近恒定的分布与明显的触发阈值。从此阈值开始，电流放大系数之和迅速增大。例如此阈值出现在大约0.07A/cm2。然而一个具有透明阳极发射区的GTO却显示出另一种特性：电流放大系数之和基本上随阳极电流密度的增大而线性增大。触发阈值无关紧要。因此，在启动时出现了问题，因为只有明显的阈值才能保证在整个横截面上均匀的启动。
只有引入了发射极短路区之后才重新出现明显的触发阈值。这一点可以用大量的模拟和实验予以证实。
因此只有当使用本发明的透明的、中间有阳极短路区的发射区与抑止层的组合时才能达到所希望的特性。
在当前技术中阳极短路区的应用在于调整发射区的效率，与此相反，按照本发明，阳极短路区用于确定清晰的触发阈值，而发射区的效率却是由其透明度控制的。
一个优先采用的实施例的特征在于，抑止层的深度约20μm到40μm，边缘-掺杂浓度约7*1014cm-3。此外，抑止层既可以用向基片内扩散的方法、也可以用外延方法制造。
一个具有两个掺杂浓度梯级的外延生长的抑止层具有特殊的优越性。在直接与阳极发射区相连接的区域有较低的掺杂浓度。用这种方法能够保证阳极短路区在抑止层获得很低的横向电导。
阳极短路区优先使用较小的约5μm到10μm的横截面。由此得到最佳触发电流约300mA。
在相应的从属权利要求中给出了其它实施例。
下面借助附图中的实施例进一步阐述本发明。
图1本发明晶闸管局部剖面图，
图2a-c抑止层中掺杂分布的三个实例，
在图中所使用的符号及其意义集中列在了符号表中。图中原则上相同的部分用相同的符号表示。
图1示出本发明GTO的局部剖面图。一般P-掺杂区用从右上方向左下方划出的双线，n-掺杂区用从左上方向右下方划出的单线阴影区表示。阴影区斜线的密度与掺杂浓度有关，掺杂浓度较高的区域有较高的线条密度。金属化区域用密集的从右上方向左下方的斜线阴影表示。
本发明的GTO包括介于第一个主平面1和第二个主平面2之间的几个不同掺杂的半导体层6-9。从第二个主平面2看这些半导体层是P+掺杂的阳极发射区6，n掺杂的n-基区7，P掺杂的P-基区8和n+掺杂的阴极发射区9。阳极发射区6由阳极金属化区制成电接触并引出阳极电极3；阴极发射区9由金属化区制成相应的阴极电极4。阴极发射区9进入P-基区8，从而导致P-基区8部分地出现在第一主平面1处。在此处P-基区8由相应的金属化区引出控制电极5。借助在控制电极5上所加的控制电压可以开关通过GTO的电流。这种结构是大家十分熟知的，无需进一步说明。
按照本发明阳极发射区6是透明的，就是说它具有比较弱的注入，即来自阴极的电子流的大部分能够无复合地并且从而在不引起空穴注入的情况下被抽出。这一点是这样实现的，即阳极发射区6掺杂的浓度比较低且厚度比较薄。例如在本发明的范围内优先采用的深度大约为1.2μm和掺杂浓度为1018cm-3。
在此透明阳极发射区6前面设置了一个抑止层11。此抑止层11比n-基区7有较高的掺杂浓度，以至阳极一侧的电场限制在抑止层11内。抑止层11优先采用的深度约为20μm至40μm，掺杂边缘浓度约为7*1014cm-3。此外，透明发射区中间夹有阳极短路区10。短路区的掺杂浓度比抑止层11更高。阳极短路区10用于调整器件使其出现明显的触发阈值。
于是透明发射区、阳极短路区和抑制层的组合使实现所要求的特性诸如较高的开关频率、较薄的基片和不增加开关损耗成为可能。
为了使触发电流不致于变得太大，按照本发明，阳极短路区10只有较小的直径。优先采用的直径介于5μm和10μm之间。可以用两种方法制造抑止层：或者用扩散方法，或者用外延方法。外延方法制造的抑止层呈现出另外的优点。用扩散方法制造的抑止层中杂质分布接近高斯曲线(见图2a)。外延方法制造的抑止层中杂质在整个层中均匀分布。所以掺杂浓度可以比扩散的分布能更精确调整(见图2b和2c)。因此可以减小抑止层的深度和基片的厚度，因为由于均匀掺杂抑止层中的电荷可以更有效地用于限制阳极一侧的电场。
但是也可以制造多级掺杂分布的抑止层。特别是当与阳极发射区6相邻的掺杂梯级13比离此更远的掺杂梯级12有更低的掺杂浓度时阳极短路区10可以使用更大的直径。因此短路区可以更容易制造。尽管如此还能保证阳极短路区在直接相邻的较低掺杂梯级13中获得足够低的抑止层11的横向电导。在抑止层11中电场的降低由较高掺杂梯级12承担。
较高掺杂梯级12优先采用的掺杂浓度约为1015cm-3和深度约为10μm。梯级13选择的掺杂浓度低于1014cm-3和深度约为10μm。
这种多级抑止层11还提供另外一种优点：较高掺杂梯级12对小的电势起伏有衰减作用，这种起伏是由阳极短路区10的存在所决定的，并且在短路区内导致明显的等离子体调制。这种多级结构的另一种优点是掺杂梯级12的掺杂浓度1015cm-3与其深度约10μm能够保证很强的电场也能在其中降低直至消失。在用当前技术制造的GTO中要实现这一点只有通过提高抑止层中的电荷密度从而带来与此相联系的对触发特性或导通特性的不利影响才有可能。没有如上所述的对抑止层的匹配很可能在加上最大阻断电压时或者甚至在加最大阻断电压之前就对“穿通”造成危险。
总之可以说，按照本发明采用抑止层、阳极短路区和透明发射区的组合可以制成一种GTO，这种GTO可以在更高的开关频率下工作，具有较薄的基片而且不增加其导通损耗。如上所述，经改变抑止层的深度和其掺杂浓度还能获得其它的一些优良性能。
符号表1  第一主平面2  第二主平面3  阳极电极4  阴极电极5  控制极电极6  阳极发射区7  n-基区8  P-基区9  阴极发射区10 阳极短路区11 抑止层12 第一掺杂梯级13 第二掺杂梯级I  掺杂浓度d  距第二主平面的距离

Claims (7)

1.可关断晶闸管包括：
a)在第一个主平面(1)和第二个主平面(2)之间有一定数量不同掺杂的半导体层(6-9)；
b)在第二主平面(2)上有阳极电极(3)以及在第一主平面(1)上有阴极电极(4)和控制电极(5)；其中
c)从第二个主平面(2)看，半导体层(6-9)包括一个P+掺杂的阳极发射区(6)、一个n掺杂的n-基区(7)和一个P掺杂的P-基区(8)，其中阳极发射区(6)与阳极电极(3)电接触，P-基区(8)与控制电极(5)电接触，并且让n+掺杂的阴极发射区(9)进入P-基区(8)且阴极发射区(9)与阴极电极(4)电接触；
e)阳极发射区(6)夹杂着n+掺杂的阳极短路区(10)，并且
f)在n-基区(7)与阳极发射区(6)之间设置一个n掺杂的抑止层(11)，
其特征在于：
d)阳极发射区(6)制成透明发射区。
2.根据权利要求1所述的晶闸管，其特征在于：
抑止层(11)是扩散制成的，特别是深度为20μm至40μm和边缘浓度为7*1014cm-3。
3.根据权利要求1所述的晶闸管，其特征在于：
抑止层(11)是外延制成的，特别是深度为20μm至40μm。
4.根据权利要求3所述的晶闸管，其特征在于：
抑止层(11)具有均匀的掺杂分布，特别是其掺杂浓度为3*1014cm-3。
5.根据权利要求3所述晶闸管，其特征在于：
抑止层(11)的掺杂分布有两个浓度梯级，其中第一个、远离第二个主平面的浓度梯级(12)掺杂浓度较高，特别是其掺杂浓度为1015cm-3和深度为10μm，第二个、直接与第二主平面(2)相邻的梯级(13)掺杂浓度较低，特别是其掺杂浓度低于1014cm-3和深度为10μm。
6.根据上述权利要求之一所述晶闸管，其特征在于：
透明发射区(6)深度为1.2μm，掺杂浓度为1018cm-3。
7.根据上述权利要求之一所述的晶闸管，其特征在于：
阳极短路区(10)具有小的直径，特别是直径为5μm至10μm。
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