CN108493291B - 高di/dt光控晶闸管版图设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，具体的说是涉及一种高di/dt光控晶闸管版图设计方法。本发明主要包括：将阴极金属电极和光栅窗口按并行交替排列的方式设置于版图中心，该交替排列区域的左右两侧均为光栅窗口；采用边缘阴极电极将阴极金属电极和光栅窗口包围，边缘阴极电极作为阴极金属电极打线处；在边缘阴极电极外围与芯片边缘之间环绕多层结终端区。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增长能力的LTT器件栅阴极交叉的版图规划，解决了传统的LTT器件不能很好适应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LTT制作工艺，为商用生产提供了有利条件。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体的说是涉及一种适用于脉冲功率应用的光控晶闸管版图设计。
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，常规光控晶闸管(Ligth 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，为了防止LTT器件本身存在的闩锁效应，从而提高器件正向安全工作区(SOA)，其器件技术的发展趋势是采用阴极短路结构避免器件正向耐压时误开启而提前进入闩锁状态，同时控制阴极短路结构的尺寸和数量等。与此同时，研究者们也提出一些新器件结构和工艺技术以实现高的的电流耐量能力，满足脉冲功率应用能力需求。
由于在脉冲功率领域中，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)。由于常规LTT的电流上升率与电压上升率(dv/dt)的矛盾关系，其阴极短路结构需要折中处理(也就意味着需满足一定的dv/dt条件下，尽量提高器件的di/dt耐量)，这就使得在提升器件的电流上升率耐量的同时其正向阻断特性会变差。更为重要的是，常规圆形版图结构的光控晶闸管由中部光栅触发周围有限区域的主阴极区开启，从而大大限制了其峰值电流能力和di/dt耐量能力。这些特性使得常规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，主要是提高器件初始开启区域、减小开启区域电流密度、提升开启均匀性和横向开启扩展速度，这都对器件的栅阴极版图规划提出了要求。
发明内容
本发明所要解决的，就是针对上述常规LTT由于栅阴极结构版图的局限，不能很好适应于脉冲功率应用领域，提出一种适于脉冲功率应用的高di/dt耐量栅阴极交叉分布的光控晶闸管版图设计。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：高di/dt光控晶闸管版图设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、将阴极金属电极和光栅窗口按并行交替排列的方式设置于版图中心，该交替排列区域的左右两侧均为光栅窗口；
b、采用边缘阴极电极将阴极金属电极和光栅窗口包围，边缘阴极电极作为阴极金属电极打线处；
c、在边缘阴极电极外围与芯片边缘之间环绕多层结终端区。
本发明总的技术方案，提出的LTT栅阴极版图规划采用了栅阴极交叉分布的方案，等效成单个光栅驱动单个原胞主阴极区导通，其光栅窗口区域面积远远大于传统光控晶闸管，且每个原胞各自的光栅驱动使器件的初始开启区域增大且开启均匀，使LTT器件芯片相比传统的圆形中部驱动方式可以有更多的原胞均匀开启且版图面积可据具体需要调整。传统光控晶闸管器件由于版图布局的局限性，导通时器件的开启区域总是局限在光栅窗口周围，远离光栅处由于电流的横向扩展需要时间而来不及开启，而本发明提出新的LTT版图规划可以提升器件开启区域面积和开启均匀性，从根本上解决了传统的光控晶闸管器件对于脉冲功率应用的di/dt耐量低的局限性。
进一步的，所述阴极金属电极和光栅窗口的宽度与原胞尺寸对应。
进一步的，所述阴极金属电极的单元宽度为50～100μm，所述光栅窗口的单元宽度为10～30μm。
本发明的方案中，栅阴极整体版图规划实现了单个光栅驱动单个原胞均匀开启、光栅区域面积可以有效调控、可重复性和可利用性得以提升；阴极金属电极1、光栅窗口2的尺寸可根据具体的原胞尺寸进行确定，这种规划可以广泛应用于脉冲功率应用的LTT器件中，所需版图的面积可根据脉冲功率应用的实际需求在光源可获得的条件下而调整。
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增长能力的LTT器件栅阴极交叉的版图规划，解决了传统的LTT器件不能很好适应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LTT制作工艺，为商用生产提供了有利条件。
附图说明
图1是本发明的光控晶闸管栅阴极版图规划示意图；
图2是传统的光控晶闸管栅阴极版图规划示意图；
图3是瞬态仿真的光控晶闸管原胞结构示意图；
图4是瞬态仿真下器件工作的拓扑电路图；
图5是瞬态仿真下栅极开始加光信号器件工作示意图；
图6是瞬态仿真下光栅触发放大电流触发阴极开启示意图；
图7是瞬态仿真下电流电压曲线示意图。
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所示，本发明提供的脉冲功率应用的LTT版图规划，其特征是在常规LTT制作工艺上对栅阴极版图进行改进，光栅区域和阴极区远远高于常规LTT，可根据具体设计的原胞结构采用相应的阴极电极布图规划；放大栅的浮空电极也可以按照具体的原胞尺寸在光栅区域进行版图制作；阴极短路结构也可以做在阴极电极下面的有源区部分。如图2，是传统LTT器件版图规划，从内到外依次为光栅区2、放大栅区6、阴极区1、阴极短路区7、边缘斜角结终端8。从图2的传统LTT栅阴极区的版图规划我们可以看出，器件在开启初期其开启区域只是中部很小一部分区域，外围很大部分区域不能快速均匀开启，所以器件的di/dt耐量不能很好的满足大脉冲功率应用要求。
本发明提供的栅阴极交叉分布的光控晶闸管版图，其栅阴极版图可以和具体的光控晶闸管原胞尺寸相结合，设计成具有本发明所述栅阴极版图结构的高di/dt耐量光控晶闸管。
本发明提供的栅阴极交叉分布光控晶闸管版图，其工作原理如下：
如图1所示，在所述的栅阴极交叉分布的光控晶闸管版图中，阴极电极1接电源阴极，光栅窗口2由特定波长和功率的光源直接照射且光源能覆盖整个芯片表面。边缘环绕阴极电极3作为阴极电流引出极，可以把整个芯片的电流均匀收集到芯片的四周而流向外部电路组件。作为有放大栅结构的光控晶闸管，其浮空金属电极也可以作为版图的一部分嵌套在光栅区域，只不过这里作为更一般的情况没有画出。阴极短路结构对于光控晶闸管来说是很重要的，因为光控晶闸管不像可关断晶闸管GTO(Gate-Turn-Off Thyristor)、门级换流晶闸管GCT(Gate Commutated Thyristor)一样，在正向阻断情况下因为有门极电极对漏电流的抽取作用而不会误开启，所以光控晶闸管必须具有阴极短路结构来对正向阻断态的漏电流进行抽取，来承受大的耐压和高的di/dt耐量，本设计版图也考虑到了这一点，即阴极短路结构可以做在阴极电极下部的有源区内。
当所述光栅窗口2未加光信号时，虽然器件的阳极和阴极加了正向电压，由于栅极没有触发信号，由晶闸管的工作原理我们可以知道整个芯片处于正向阻断状态下，不能正向导通。将所述光控晶闸管版图的光栅窗口加上能触发器件开启的特定波长和特定功率的光照信号时，器件的光栅窗口下部的有源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运动、电子向器件的阳极区漂移运动，然后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，由于在横向上存在浓度差，载流子也会横向扩散而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，传统的版图规划在器件开启初期其开启区域局限在很小的区域内，芯片的大片区域还是处于未开启状态，开启不均匀，不能承受高的di/dt耐量；而本发明提供的栅阴极交叉分布的光控晶闸管版图规划，可以有更多的光栅去触发各自的阴极区开通，增大了光栅区域的面积且光栅能够很容易触发周围的晶闸管结构均匀开启。这样，器件的开启区域得到了大大的增加，器件均匀开启，能够承受大的电流峰值和大的di/dt耐量，器件的性能得到了稳定提升，能够很好满足大脉冲功率应用的要求。
实施例：
以耐压为6000V的LTT结合所述栅阴极交叉分布的光控晶闸管版图设计为例，直观地展示出本发明版图设计相对于常规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版图规划能够很好的提升器件的脉冲功率应用的能力，这里采用器件仿真软件Sentaurus对例子中的器件进行动态特性模拟，仿真也能等效这种版图规划对应器件的实际工作状态，其器件的原胞结构如图3所示，光栅区1尺寸为100um，光栅作为放大栅浮空电极2为20um，阴极电极3为360um。在做瞬态仿真时，取芯片面积为1cm2，因为仿真时是很多单元原胞并联成总面积为1cm2的芯片，这与本发明的版图规划构造一致，可以用仿真的方法等效版图规划中实际1cm2芯片的工作方式。
瞬态仿真时器件工作的拓扑电路如图4所示，器件工作在LRC震荡回路下，其中Vs为5000V、R1为100Ω、R2为0.01Ω、电感L为200nH、电容C为1uF。首先电源给电容充电，待充电到电源电压时，如图5所示，给器件的光栅处加一波长为900nm、功率密度为100w/cm2、脉冲宽度为50ns的脉冲光信号，此时，会在光栅下器件内部产生光生的电子空穴对，电子向阳极处运动，空穴向阳极处运动。由于光栅处浮空电极作用，使光栅也具有放大栅的作用，空穴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。如图6所示，光信号触发并通过放大栅放大的电流触发主晶闸管开启，由于载流子横向扩散需要一定的时间，所以此时主阴极区是部分开启。电流仿真的瞬态波形如图7所示，取电流首个脉冲波峰电流值的10％和90％两点作为判定图4拓扑电路条件下器件di/dt耐量的依据，其计算结果为24704A/us,若外加电感值取得更小，该值会更大，仿真验证了外加电感值为100nH时，di/dt为36483A/us。可以看到，本发明提供的栅阴极交叉分布的光控晶闸管版图的器件电流上升率较常规的光控晶闸管(几KA/us)性能提升明显。应当指出，这里仿真的芯片面积为1cm2，如果芯片面积增大，器件的di/dt会更大。大的峰值电流以及高的电流上升率(di/dt)都更好地满足了脉冲功率应用领域的需求。
对于图1所示的本发明提供的栅阴极交叉分布的光控晶闸管版图的制造方法，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器件栅阴极版图进行了改进，提出了一种栅阴极交叉分布的光控晶闸管版图规划。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地结果。本发明的制备工艺是在器件整体结构完成以后再进行的工序，具有很多种变化，形成过程也有多种。本发明不可能也没用必要将一一逐级，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版图或工艺上的变化，均在本发明申请保护的范围之内。
Claims (3)
1.高di/dt光控晶闸管版图设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、将阴极金属电极和光栅窗口按并行交替排列的方式设置于版图中心，该交替排列区域的左右两侧均为光栅窗口；
b、采用边缘阴极电极将阴极金属电极和光栅窗口包围，边缘阴极电极作为阴极金属电极打线处；
c、在边缘阴极电极外围与芯片边缘之间环绕多层结终端区。
2.根据权利要求1所述的高di/dt光控晶闸管版图设计方法，其特征在于，所述阴极金属电极和光栅窗口的宽度与原胞尺寸对应。
3.根据权利要求2所述的高di/dt光控晶闸管版图设计方法，其特征在于，所述阴极金属电极的单元宽度为50～100μm，所述光栅窗口的单元宽度为10～30μm。
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