CN104600101A - 一种集成门极换流晶闸管芯片的双门极接触环阴极面结构 - Google Patents

一种集成门极换流晶闸管芯片的双门极接触环阴极面结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种集成门极换流晶闸管芯片的双门极接触环阴极面层结构包括多个同心的阴极环，一个同心门极接触环及多个阴极梳条，多个阴极梳条沿径向排列在每个阴极环的部分区域中，形成一个扇形区域；其特征在于，还包括第二个同心的门极接触环、多个径向门极接触条；其中第一个门极接触环位于内侧的阴极环之间，另一个门极接触环位于外侧的阴极环间或者位于最外环；二个门极接触环之间通过径向的门极接触条相连。本发明采用双门极结构，减小了远端GCT的换流距离，提高了远端GCT的换流速度，避免电流集中分布在远端GCT，提高大直径IGCT的电流关断能力。

Description

一种集成门极换流晶闸管芯片的双门极接触环阴极面结构
技术领域
本发明属于半导体集成电路技术领域，特别涉及一种应用于电力半导体的集成门极换流晶闸管的芯片结构设计。
背景技术
集成门极换流晶闸管(IGCT：Integrated Gate Commutated Thyristor)是一种用于大容量电力电子装置中的新型电力半导体器件，它最先是由瑞士ABB公司开发并成功投入市场。它的应用使得变流装置在功率、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大的进展，给电力电子技术带来了新的飞跃。
集成门极换流晶闸管是将门极可关断晶闸管(GTO：Gate Turn-off Thyristor)芯片与反并联的二极管和门极驱动MOSFET集成在一起，再与门极驱动在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的关断能力和晶闸管低导通损耗等优点。IGCT集成了多个门极换流晶闸管(GCT:Gate Commutated Thyristor)单元，GCT的基本结构同GTO类似，为PNPN结构，是由众多元胞并联而成，每一个元胞从阳极到阴极都包含P+发射极、n+缓冲层、n基区、p基区、n+发射极区域。其中3个PN结，从阳极到阴极顺序为：P+N的J1结，NP的J2结以及PN+的J3结。其中，半导体中p型掺杂区和N型掺杂区的边界线称PN结，如图1所示。GCT导通和关断如图2所示，正常导通时，门阴极正偏，电流IAK自阳极流入，阴极流出，如图2(a)所示。关断时，如图2(b)所示,关断过程主要分为三个阶段：
a)基区存储电荷抽取
在导通时，位于J1结合J3结之间的N基区和P基区处于大注入状态。所谓大注入状态即为由阳极和阴极高掺杂浓度区的空穴、电子注入到P基区和N基区，注入浓度远远大于P基区和N基区的掺杂浓度。P基区的掺杂浓度一般在1016/cm3左右，注入后电子浓度超过1017。关断时，阴极电流为纯电子电流，当P基区少子(即电子)。P基区少子全部抽取的时间定义为存储时间。
b)电压上升
P基区电子被抽取干净后，J2结建立起耗尽层，即从J2结开始，N基区的少子被消耗，J2结建立起的耗尽层逐渐变宽至耗尽层电压等于外界电压，耗尽层中是强电场分布。
c)电流降低过程
在电压建立起来后，门极电流中断，相当于PNP晶体管突然失去了驱动电流，电流会突然跌落，跌落的幅度约为阳极电流的80％。由于N基区的少子还没有被驱逐结束，需要通过复合和扩散出J1结减少，即剩下的20％电流为一个长长的拖尾电流。
IGCT的开断第一阶段，电流从阴极转换到门极，最主要的问题是需要在耗尽层形成前完成电流的转换，否存储电荷抽取最慢的地方将成为电流密集集中地，由于热效应和电阻的负温度特性，会导致局部电流越来越集中最后导致击穿而关断失败。
已有的典型的直径4英寸IGCT芯片的阴极面层结构如图3所示，由多个同心的阴极环31、一个同心的门极接触环32和多个阴极梳条33构成；一个个梳条33沿径向排列在每个阴极环31的部分区域中，，形成一个扇形区域。阴极环31的数量和宽度根据实际芯片尺寸确定，数值上不是严格的。图3中在第5阴极环与第6阴极环之间有一个门极接触环33；阴极环的其他非梳条部分是经过溅射得到的金属层，金属层直接同门极接触环接触。已有的IGCT封装由金属分别接触门极接触环和阴极环。进行关断操作时，电流从阴极梳条处转移至门极接触环。由于门极接触环位于第5到第6阴极环之间，因此所有阴极梳条的电流都要通过金属层汇聚到门极接触环。
图3所示的IGCT芯片结构由于几何尺寸较大，因此造成了不均衡的感抗分布。即换流时，距离门极接触较远的元胞换流回路有较大的感抗，如第10环。由于第10环的梳条数量较多，有效面积最大，其导通时流过的电流总量最大。因此，在关断操作时，第10环的阴极电流转换到门极接触环需要的时间最长。在开断大电流时，由于电流密度大，因此存储电荷数量多，外侧环的存储电荷没有抽取干净时，在内环处的IGCT即容易产生耗尽层开始关断，于是电流都集中到了外侧环，导致外侧环的元胞电流密度过大。因此实际应用中，IGCT的损坏位置基本都是发生在外侧阴极环。
由于不均衡电感分布导致的换流不均衡，在IGCT芯片直径达到4英寸及以上时，尤为明显，严重影响直径在4英寸以上IGCT器件的可关断最大电流。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处,提出一种新的IGCT芯片的双门极接触环有极面层结构，本发明结构采用双门极接触环，并增加了沿径向的门极接触。本发明能克服已有的由于电感分布不均衡导致的换流不均衡的问题。
本发明提出的IGCT芯片的双门极接触环阴极面层结构包括多个同心的阴极环，一个同心门极接触环及多个阴极梳条，多个阴极梳条沿径向排列在每个阴极环的部分区域中，形成一个扇形区域；其特征在于，还包括第二个同心的门极接触环、1个或1个以上的径向门极接触条；其中第一个门极接触环位于内侧的阴极环之间，另一个门极接触环位于外侧的阴极环间或者位于最外环；二个门极接触环之间通过径向的门极接触条相连。
本发明提出的IGCT芯片阴极面结构，不改变单个元胞结构。所述元胞结构包括:p+发射极、n+缓冲层、n型基区、p型基区、n+发射极。所述阴极、门极和阳极，均通过金属电极同外在的驱动电路相连接。所述阴极金属电极设置在所述n+发射区外表面，所述门极金属电极设置在n+发射区以外的p基区表面，所述阳极金属电极设置在p+发射极表面。
所述换流过程，首先由阴极转移至门极金属电极，再由门极金属电极汇聚至门极接触，门极接触通过金属电极与驱动电路相连。所述改进结构的IGCT，由于门极接触结构改变，芯片所对应的外壳封装也需要进行相应的改进，以使得门极接触通过金属与驱动电路相连，封装需要保证门极接触的与金属电极接触良好。
本发明提出的自然换流式混合直流断路器模块，其优点是：
1、所述的双门极接触环的集成门极换流晶闸管芯片，没有改变单个门极换流晶闸管的元胞结构，在工艺制作中需要改变光刻版图，修改方便、实施可行性骄傲。
2、所述的双门极接触环的集成门极换流晶闸管芯片，采用双门极结构，减小了远端GCT的换流距离，提高了远端GCT的换流速度，避免电流集中分布在远端GCT，提高大直径IGCT的电流关断能力。
附图说明
图1为GCT元胞示意图。
图2为单个GCT元胞导通、关断示意图。
图3为IGCT芯片阴极面示意图
图4为本发明提出的IGCT芯片阴极面示意图。
具体实施方式
本发明的双门极接触环的集成门极换流晶闸管芯片结构结合附图及具体实施方式说明如下：
本发明提出的IGCT芯片的双门极接触环阴极面层结构包括多个同心的阴极环，一个同心门极接触环及多个阴极梳条，多个阴极梳条沿径向排列在每个阴极环的部分区域中，形成一个扇形区域；其特征在于，还包括第二个同心的门极接触环、1个或1个以上的径向门极接触条；其中第一个门极接触环位于内侧的阴极环之间，另一个门极接触环位于外侧的阴极环间或者位于最外环；二个门极接触环之间通过径向的门极接触条相连。
本发明提出的双门极接触环的集成门极换流晶闸管芯片，采用双门极接触环，并增加了沿径向的门极接触。
本发明的双门极接触环的集成门极换流晶闸管芯片结构，不改变原有的元胞结构，即不改变阴极金属电极和阳极金属电极。
由于增加了外侧的门极接触环，在保持芯片直径不变和阴极环数量不减小的情况下，需要减小梳条长度，进而减小每一个阴极环的宽度；也可以保持芯片直径不变和阴极梳条长度不变，减少一个阴极环，将最外层阴极环替代为门极接触环。
本发明提出的IGCT芯片的双门极接触环阴极面层结构实施例，本实施例为一个直径为4英寸的IGCT芯片，其阴极面层结构如图4所示，包括10个同心的阴极环41、二个同心的门极径向接触环42、m个径向门极接触条43及阴极梳条44；径向门极接触条的数量m根据工艺难度和实际需要来确定，可以是大于等于0的任意数量。其中一个门极接触环位于第5阴极环与第6阴极环之间，另一个门极接触环位于最外环；二个门极接触环之间通过径向的门极接触条相连。
本实施例中的具体尺寸设计，考虑到增加了一个门极环后，在芯片整体尺寸(91mm)不变的情况下，对于阴极环尺寸的影响，同时考虑工艺中所允许的尺寸范围。所以，本实施例以传统的4英寸(91mm)直径芯片作为参考，给出不同区域的尺寸范围如下：
本实施例的两个门极接触环的宽度为6～12mm。
由于芯片半径不变，保持每个阴极环宽度同传统的阴极环宽度相同，每个阴极环的宽度为3～4mm，在原有IGCT基础上，减去了两个阴极环，改成了8个阴极环。
m个径向门极接触条，以m＝6为例，6个径向门极接触条均匀分布，宽度为6～12mm，并与两个门极接触环相连，圆心角为60度。径向门极接触条的数量可以根据具体的工艺实施难度进行调整，可以是大于等于0条的任意数量，圆心角根据径向门极接触条的均匀分布要求来进行调配；
阴极梳条44沿径向排列在每个阴极环41的部分区域中，阴极梳条尺寸与传统IGCT芯片相同，长度在2.8～3.2mm，宽度在230～270um。梳条排列同传统IGCT芯片相同。
以上给出的是本发明在4英寸(91mm)的具体实施例，可以根据相同的原则在6英寸及以上的IGCT芯片中具体实施。
本实施例中每个梳条所在的元胞结构包括:p+发射极、n+缓冲层、n型基区、p型基区、n+发射极。所述阴极、门极和阳极，均通过金属电极同外在的驱动电路相连接。所述阴极金属电极设置在所述n+发射区外表面，所述门极金属电极设置在n+发射区以外的p基区表面，所述阳极金属电极设置在p+发射极表面。
当IGCT实施关断操作，J3结反偏，电流从阴极换流至门极，由于增加了门极接触环和径向的接触环，每个进行在进行换流的元胞，电流将从阴极梳条换流至门极，再沿门极金属电极流向距离最近的门极接触。由于增加了径向的门极接触环和外侧的门极接触环，原本位于第9、10环的远端的元胞在换流时可以就近换流至外侧的门极接触环或径向门极接触环。
本发明提出的双门极接触环的集成门极换流晶闸管芯片结构，需要相应改变芯片的封装，以保证电极结构与门极接触的良好接触。

Claims (1)

1.一种集成门极换流晶闸管芯片的双门极接触环阴极面层结构包括多个同心的阴极环，一个同心门极接触环及多个阴极梳条，多个阴极梳条沿径向排列在每个阴极环的部分区域中，形成一个扇形区域；其特征在于，还包括第二个同心的门极接触环、1个或1个以上的径向门极接触条；其中第一个门极接触环位于内侧的阴极环之间，另一个门极接触环位于外侧的阴极环间或者位于最外环；二个门极接触环之间通过径向的门极接触条相连。
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