CN108288656B - 高di/dt耐量光控晶闸管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术，具体的说是涉及一种高di/dt耐量光控晶闸管。本发明的一光控晶闸管，主要为通过缩小元胞宽度和调整器件结构，来优化器件内部电流均匀分布和温度稳定性，进而提升器件的耐电流上升率。另外，本发明由于自身的优点，可以在光源能覆盖的范围内对版图进行调整。本发明的有益效果为，提供了电流分布均匀、温度稳定性高的窄元胞结构的光控晶闸管设计，解决了传统的光控晶闸管(LTT)由于耐电流上升率低而不能很好适应于脉冲功率应用领域。本发明尤其适用于大脉冲功率应用具有高峰值电流能力和高电流增长能力的光控晶闸管。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术，具体的说是涉及一种适用于脉冲功率应用的高di/dt耐量光控晶闸管。
背景技术
功率半导体器件作为开关器件，可以应用于电力电子领域和脉冲功率领域两个方面。在电力电子领域，传统光控晶闸管(Light Triggered Thyristor，简称：LTT)因其优越的性能被作为脉冲放电开关器件得到广泛的应用。在电力电子应用领域中，光控晶闸管器件技术的发展趋势是采用阴极短路结构来提升耐压，同时控制阴极短路结构的尺寸和数量等。与此同时，研究者们也提供一些新器件结构和工艺技术以实现高的电流耐量能力，满足脉冲功率应用能力需求。
在脉冲功率应用领域中，要求开关器件具备极高的峰值电流能力和电流上升率(di/dt)。由于传统LTT的电流上升率与电压上升率(dv/dt)的矛盾关系，其阴极短路结构需考虑两者的折中(需满足一定的dv/dt条件，尽量提高器件的di/dt耐量)，这就使得在提升器件电流上升率的同时其正向阻断特性会变差。更为重要的是，传统圆形布局光控晶闸管由中部光栅触发周围有限区域主阴极区开启，极大程度限制了其峰值电流能力和di/dt耐量能力。这些特性使得传统LTT在高功率脉冲领域应用有限。对于脉冲功率应用的光控晶闸管器件di/dt耐量问题的研究，主要是增大初始开启区域、提升电流均匀性和增大横向扩展速度，这都对器件的元胞结构设计和栅、阴极布局提出了要求。
发明内容
本发明所要解决的，就是针对上述传统LTT器件由于元胞结构和栅、阴极布局的局限，不能很好适应于脉冲功率应用领域，提供一种适于脉冲功率应用的高di/dt耐量的多光栅触发元胞结构和栅、阴极交叉分布的光控晶闸管布局设计示例。
一种高di/dt耐量光控晶闸管，如图2所示，其元胞结构包括从下至上依次层叠设置的阳极1、阳极P+区2、N漂移区3、光栅浮空电极8和阴极7；所述N漂移区3上层具有整块P基区4，所述P基区上层具有N+阴极区5和N+光栅区6，且N+阴极区始终位于光栅两侧；所述光栅浮空电极8中部区域是透光区9；所述两N+阴极区5中部间断部分是阴极短路结构10；所述透光区9为多区域触发设计，与所述阴极7周期性交叉排布；以所述透光区9的设计方案为前提，所述P基区3的单元元胞宽度为50～100μm，所述左右元胞共有的N+光栅区6宽度为30～50μm。
本发明总的技术方案，提供的LTT多光栅触发、窄元胞设计方案，等效成单个光栅驱动单个元胞主阴极区开启，其透光区9与阴极交叉的周期性分布，且器件工作时初始开启区域增大、电流分布均匀，使本发明所提供的窄元胞器件相比传统的宽元胞、单晶圆中心光栅触发的光控晶闸管可迅速充分开启。
具体的，所述透光区9的多区域触发设计方式，其透光区宽度为10～20um，临近光栅为阴极区5，间隔为10～20μm，且无放大栅结构。
本发明的有益效果为，提供了具有高峰值电流能力和高电流上升率LTT器件的窄元胞设计，解决了传统的LTT器件不能很好适用于脉冲功率应用领域的问题，同时具有传统器件相同的制作工艺。它基本可以完全利用现有成熟的商用功率半导体器件制作工艺，为商用生产提供了有利条件。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例和现有技术描述中所需要的附图作简要介绍，显而易见，可以对本领域相关工程研究人员提供技术支持和参考。
图1是传统光控晶闸管元胞结构示意图；
图2是本发明的多光栅触发、窄元胞示意图；
图3是传统光控晶闸管布局设计示意图；
图4是本发明的窄元胞布局设计示意图；
图5是瞬态仿真下器件工作的拓扑电路图；
图6是传统器件峰值电流时刻电流分布示意图；
图7是本发明提供的器件峰值电流时刻电流分布示意图；
图8是瞬态仿真下传统器件的脉冲电流与最高温度变化图；
图9是瞬态仿真下本发明提供器件的脉冲电流与最高温度变化图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：
如图1和图2分别为传统光控晶闸管和本发明所提供的一种脉冲功率应用的高di/dt耐量光控晶闸管的二维结构示意图，二者都是光栅触发辅助晶闸管开启进而触发主晶闸管开启的机理。图1中标号为1到10的部分与图2完全一致，其中增加的标号为放大栅浮空电极11和N+放大栅区12。如图3所示为基本的传统光控晶闸管正面布局，其中，从内向外依次为N+光栅6、N+放大栅12、N+阴极区5和斜角结终端13，所述阴极区5内分布的圆形区域为阴极短路结构10。传统光控晶闸管由于宽元胞结构和栅、阴极布局的局限，光触发时器件开启区域仅在靠近光栅周围，远离光栅的阴极区由于电流的横向扩展需要时间而不能及时开启。电流上升时间短使开启区域有限，器件大部分区域没有开启或开启不充分，这使得电流在器件内部分布不均，器件的有效利用率极低，并且有限的开启区域使器件因为局部温度过高或各区域之间的温度梯度产生的热应力而失效。本发明所提供的新型多光栅触发、窄元胞光控晶闸管可以提升器件初始开启区域和开启均匀性，从根本上解决了传统光控晶闸管器件对于脉冲功率应用的低di/dt耐量问题。图4是适用于本发明的栅、阴极布局示例，从内到外依次为N+光栅6、N+阴极区5、环形结终端14和芯片边缘15。其特征是在传统LTT制作工艺上对栅、阴极布局进行改进，可根据设计的透光区和阴极的分布情况采用相应的栅、阴极布局。芯片利用率有效提升，导致本发明所提供的小尺寸芯片实现传统大尺寸芯片的脉冲功率应用性能；光栅处浮空电极可按具体的元胞设计进行布局；阴极短路结构也可以设计在阴极有源区部分。本发明所提供的新型LTT多光栅触发、窄元胞设计实现了器件迅速均匀且完全开启，具有电流分布均匀、功耗更低、耐大的电流上升率等优点，能够很好适用于脉冲功率应用领域。
本发明提供的栅、阴极交叉分布的光控晶闸管布局示例，其栅、阴极布局可与具体的光控晶闸管元胞尺寸相结合，设计成具有本发明示例栅、阴极布局的高di/dt耐量光控晶闸管。
本发明工作原理：本发明作为光栅含浮空电极的光控晶闸管，其光栅等效为一定放大栅作用。阴极短路结构对于光控晶闸管来说是很重要的，因为光控晶闸管与可关断晶闸管GTO(Gate-Tμrn-Off Thyristor)、门级换流晶闸管GCT(Gate Commμtated Thyristor)不同，在正向阻断情况下由于没有门极对漏电流的抽取作用可能误开启，所以光控晶闸管必须具有阴极短路结构承受大的耐压和要求的dv/dt耐量，本发明的阴极短路结构分布在阴极区内。
如图2所述的透光区9未加光信号时，正向电压虽然存在，但栅极未加触发信号，器件处于正向阻断状态。当给透光区加能触发器件开启的特定波长和功率密度的光信号时，器件的光栅区会产生等量的光生电子和光生空穴，空穴向器件的阴极区漂移、电子向阳极区漂移，到达阴极与阳极区的载流子会触发更多的载流子在器件内输运形成等离子体。载流子横向上存在的浓度差，引起的横向扩散使器件开启区域增大。器件电流上升阶段横向开启尺寸直接影响器件的di/dt耐量，传统的器件在触发初期其开启仅在靠近光栅的有限范围内，芯片的大片区域还未开启或开启不充分，不能承受高的di/dt耐量；而本发明所提供的多光栅触发、窄元胞LTT器件和图4所示的正面栅、阴极交叉分布的布局示例，实现了光栅与阴极周期性排布，增大了触发区域面积和触发强度，光栅能迅速触发临近的主阴极迅速均匀开启。器件的开启区域得到提升，器件均匀开启且温度在芯片整个有源区均匀分布，能够承受大的电流峰值和高的di/dt耐量，器件的性能得到了稳步提升，能够很好满足脉冲功率应用要求。
实施例：
以耐压为6000V传统的和本发明所提供的多光栅触发、窄元胞光控晶闸管为例，直观地展示出本发明相对于传统LTT在脉冲功率应用领域所具有的性能优势。作为验证本发明所提供的多光栅触发、窄元胞光控晶闸管在脉冲功率应用领域的优势，用器件仿真软件Sentaurus对两种器件进行模拟。传统器件元胞宽度取900μm、本发明所提供的多光栅触发窄元胞LTT器件单元元胞宽度取传统的十分之一为90μm(整体宽度也取900μm)。方便对比，分别取传统的和本发明所提供的多光栅触发、窄元胞光控晶闸管芯片面积为8cm2和1cm2进行瞬态模拟。
瞬态仿真时器件工作的拓扑电路如图5所示，器件工作在LRC震荡回路下，其中Vs为6000V、R1为100Ω、R2为0.01Ω、电感L为10nH、电容C为1μF，反并联二极管并于器件两端。首先电源给电容充电，待充电到电源电压后，给器件光照区加一波长为900nm、功率密度为1000w/cm2、脉冲宽度为50ns的脉冲光信号使器件触发开启。由于光栅处有浮空电极，使光栅也具有放大栅作用，电流流过浮空电极下方产生压降，使光栅处的辅助晶闸管导通并放大电流，放大的电流触发主晶闸管开启。光信号触发主晶闸管开启过程中，由于载流子横向扩散需要时间，主阴极区部分开启，随着时间推移才逐步开启。图6和图7分别是传统的和本发明所提供的光控晶闸管模拟的峰值电流时刻电流分布，两图左侧为电流密度分布图且显示的电流密度最小值设置相同，右侧是此时器件中部横上的电流密度分布曲线。可以直观看出本发明所提供的多光栅触发、窄元胞光控晶闸管较传统的光控晶闸管其电流分布均匀性得到有效提升，没有出现传统的电流过低现象。图8和图9分别是传统的与本发明所提供的多光栅触发、窄元胞LTT器件的脉冲电流和最大温度的瞬态特性。如上所述，传统的和本发明所提供的多光栅触发、窄元胞设计的光控晶闸管芯片面积为8cm2和1cm2，但实际上传统器件电流上升阶段有效开启区域面积远小于模拟的8cm2，器件没有充分开启，这也是传统器件耐电流上升率低的原因。可以看出，传统的芯片面积虽然很大但温度特性依然差于本发明所提供的多光栅触发、窄元胞光控晶闸管。晶闸管的失效主要由于电流上升率过高且器件内部电流分布不均导致的热失效，随着芯片面积减小传统光控晶闸管温度很快上升。由图8和图9对比发现，本发明所提供的多光栅触发、窄元胞光控晶闸管较传统的其温度稳定性得到明显改善且两者脉冲电流波形几乎等效。这意味着，本发明所提供的多光栅触发、窄元胞光控晶闸管在高di/dt应用中其电流均匀性与温度稳定性得到稳步提升。应当指出，这里模拟本发明所提供的多光栅触发、窄元胞光控晶闸管其元胞宽度为传统的十分之一，且传统器件为大尺寸单晶圆布局，实际样品的单元尺寸更大，其对比效果更好。
对于图2所示本发明所提供的多光栅触发、窄元胞设计光控晶闸管的制造方法，可以在芯片正反面部分制作完成后再根据布局和尺寸淀积金属层并反刻形成阴极互联和光栅浮空电极。
应当说明，本发明的核心发明点在于针对于脉冲功率应用对LTT器件的光触发方式、对应的元胞结构和栅、阴极布局设计进行了改进，提供了一种多光栅触发、窄元胞设计的光控晶闸管和示例的栅、阴极交叉分布的布局方案。说明书中所举仿真结果只为更具体明了的阐述本发明所具有的优势，并不代表已经达到了最优值，本领域技术人员可以通过对本发明各参数的优化来获得更好的结果。本发明是按照现有可实现的工艺下进行器件设计并制备的，具有很多种变化，形成过程也有多种。本发明不可能也没有必要将其一一逐级列举，但本领域技术人员应当理解在本发明的基础上所作出的各种布局或工艺上的变化，均在本发明申请保护的范围之内。
Claims (1)
1.高di/dt耐量光控晶闸管，其元胞结构包括从下至上依次层叠设置的阳极(1)、阳极P+区(2)、N漂移区(3)和阴极(7)；所述N漂移区(3)上层具有P基区(4)，所述P基区(4)上层具有N+阴极区(5)和N+光栅区(6)，其特征在于，所述N+阴极区(5)始终位于N+光栅区(6)两侧，即由一个N+光栅区(6)和位于该N+光栅区(6)两侧的两个N+阴极区(5)构成多个重复结构，相邻两个结构的N+阴极区(5)之间具有阴极短路结构(10)；所述阴极(7)与相邻的两个N+阴极区(5)接触；所述N+光栅区(6)上表面具有光栅浮空电极(8)，光栅浮空电极(8)还沿N+光栅区(6)上表面向两侧延伸至部分P基区(4)上表面；所述光栅浮空电极(8)中部区域是透光区(9)，所述P基区(4)的单元元胞宽度为50～100μm，相邻元胞共有的N+光栅区(6)宽度为30～50μm；所述透光区(9)的透光区宽度为10～20um，相邻的两个N+阴极区(5)之间间隔为10～20μm，且无放大栅结构。
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