CN108615785B - 一种具有深n+空穴电流阻挡层的光控晶闸管 - 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具有深N+空穴电流阻挡层的光控晶闸管。本发明的一种具有深N+空穴电流阻挡层的光控晶闸管设计示例，通过改变空穴电流流通路径，使空穴电流绕过阴极左侧电流集中区，来缓解器件内部的电流集中区、使电流分布更加均匀，进而提升器件的耐电流上升率。另外，本发明的深N+空穴电流阻挡层由于自身的优点，可以根据元胞的具体设计方案进行调整。本发明的有益效果为，提供了一种深N+阻挡层的LTT器件设计，解决了常规的LTT器件因主阴极左侧区电流集中而引起的失效问题，同时具有常规器件相同的制作工艺。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具有深N+空穴电流阻挡层的光控晶闸管。
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，脉冲功率应用的光控晶闸管器件由于功率总量大、峰值电流大、电流上升率(di/dt)高，如果器件设计不好就可能因为局部电流密度过高而引起器件的损坏失效。光控晶闸管正面由光栅、放大栅、主阴极区构成，器件触发开启过程中，电流流过放大栅下面的P基区使放大栅处的PN结达到电压阈值而开启，进一步实现电流放大，最终横向输运到阴极区的电流特别大，如果阴极区的电流不能均匀分布就可能造成器件阴极区局部因电流过大失效。
发明内容
本发明所要解决的，就是针对上述光控晶闸管主阴极区电极靠近放大栅一侧电流集中的局限，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具有深N+空穴电流阻挡层光控晶闸管设计示例。
本发明的技术方案为：
一种具有深N+空穴电流阻挡层的光控晶闸管，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4和P基区4；所述P基区4上层两端分别具有N+光栅区5和N+阴极区7，在N+光栅区5和N+阴极区7之间的P基区4上层还具有N+放大区6；所述P基区4上表面具有光栅浮空电极8、放大栅浮空电极9和阴极10，所述光栅浮空电极8位于N+光栅区5靠近N+放大区6的一端，并沿P基区4上表面向N+放大区6方向延伸；所述放大栅浮空电极9位于N+放大区6上表面，并沿P基区4上表面向N+阴极区7方向延伸；所述阴极10位于N+阴极区7上表面，并沿P基区4上表面延伸至器件端部；
其特征在于，所述P基区4上层还具有深N+阻挡层11，所述N+阻挡层11位于N+放大区6和N+阴极区7之间，且N+阻挡层11与N+阴极区7之间的间距为2～10μm。
本发明总的技术方案，提供的LTT深N+阻挡层改变空穴电流的流通路径、使电流均匀分布的光控晶闸管设计方案，N+区位于放大栅与阴极区之间并靠近阴极区，目的在于通过阻挡横向和纵向流过主阴极左边缘的空穴电流流通来改变空穴电流的流通路径，使空穴电流朝着主阴极右侧区域分散开，缓解了主阴极左侧区电流集中的问题。这种设计思路在缓解主阴极区左侧电流集中特性的同时，器件的通态特性没有收到影响，是一种很好的设计方法与思路。可以根据具体器件的结构与尺寸来调节深N+阻挡层的掺杂与尺寸，找到比较有效解决电流集中问题的设计方案。
具体的，按照所述深N+阻挡层设计方式，深N+阻挡层的宽度为5～50μm，深度为3～10μm，为了满足耐压的要求，深N+阻挡层下边界应在所设计耐压对于的最宽耗尽线以上。
本发明的有益效果为，提供了一种深N+阻挡层的LTT器件设计，解决了常规的LTT器件因主阴极左侧区电流集中而引起的失效问题，同时具有常规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是常规光控晶闸管元胞结构示意图；
图2是本发明的有深N+阻挡层元胞结构示意图；
图3是常规光控晶闸管导通时空穴电流流向示意图；
图4是本发明的光控晶闸管导通时空穴电流流向示意图；
图5是瞬态仿真下器件工作的拓扑电路图；
图6是仿真的常规光控晶闸管导通时空穴电流流向示意图；
图7是本发明提供的器件导通时空穴电流流向示意图。
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和图2分别为常规光控晶闸管和本发明所提供的一种脉冲功率应用的深N+阻挡层光控晶闸管的二维结构示意图，二者的触发开启机理相同。图1中标号为1到10的部分与图2完全一致，其中图2增加的标号为深N+阻挡层11。图1中标示的圆圈区域因为大电流流到主阴极而被大量收集，导致此处的电流密度集中过大，就会使器件因为局部温度过高而失效。如图3所示为基本的常规光控晶闸管导通时空穴电流的流向示意图，虚线表示的是空穴电流的流向，因为没有深N+阻挡层的加入，空穴电流集中流向主阴极区最左侧的部分，电流密度很大，器件在承受大电流时就会因为此处的电流集中而失效。而图4是本发明所提供的有深N+阻挡层的光控晶闸管，虚线是空穴电流的流通路径。当电流流深N+阻挡层附近时，因为N+区阻挡作用会，空穴电流流通路径会围绕N+阻挡层而发散开来。这样，大电流就绕过了主阴极最左侧，分散到主阴极更宽的区域，不但电流集中效应得到解决，而且电流分布均匀性也得到有效提升。本发明所提供的具有深N+空穴电流阻挡层的光控晶闸管，具有缓解器件局部电流密度过高、让主阴极区电流均匀分布等优点，而且可以和现有成熟的商用功率半导体器件制作工艺兼容，能够很好适用于脉冲功率应用领域。
本发明工作原理：本发明元胞正面结构包含光栅、放大栅和主阴极。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-OffThyristor)、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。
当器件光栅区未加光信号，虽然存在正向电压，但器件处于正向阻断状态。当给光栅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，到达阴极与阳极的载流子会触发更多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。经由放大栅放大的电流密度很大，常规的光控晶闸管因为没有深N+阻挡区而使阴极左侧电流集中，大的电流密度使此处因电流密度过高而失效，器件不能承受高di/dt耐量；而本发明所提供的具有深N+空穴电流阻挡层的光控晶闸管设计示例，实现了对流过此处的空穴电流的阻挡作用，使空穴电流流通路径增大，电流绕过电流集中区而均匀分布于主阴极区。器件电流分布均匀且温度稳定性好，能够承受大的峰值电流和高di/dt耐量，器件脉冲功率性能得到稳步提升。
实施例：
以耐压为6000V常规的和本发明所提供的具有深N+空穴电流阻挡层的光控晶闸管为例，直观地展示出本发明相对于常规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深N+空穴电流阻挡层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。两种器件的原胞宽度均取400μm，瞬态仿真时器件的芯片面积均取0.5cm2。
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分别是常规的和本发明所提供的具有深N+阻挡层光控晶闸管模拟的峰值电流时刻空穴电流分布二维示意图，图中电流密度随着颜色深度而增加。图6的二维虚线框区域是电流集中区，右下角是包含电流集中区横向电流密度曲线，虚线框区域电流最大，也即阴极左侧；图7中与图6标示的内容相同，但明显可以发现电流集中区得到缓解，电流分布更加均匀。对比发现，常规的光控晶闸管在阴极左侧空穴电流非常集中，均朝着局部区域流动；而本发明所提供的具有深N+阻挡层光控晶闸管空穴电流绕过了电流集中区，均匀的分布在器件的主阴极区。通过仿真对比验证了本发明所提出具有深N+阻挡层光控晶闸管，可以有效缓解常规光控晶闸管开启时空穴电流集中区域，空穴电流流通路径的改变使电流分布更加均匀，局部电流集中效应得到有效解决，器件具有高的di/dt耐受能力。
对于图2所示本发明所提供的具有深N+空穴电流阻挡层光控晶闸管的制造方法，可以在芯片正面图形制作的同时增加一层掩模板来进行深N+区的反刻并注入推结。
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器件元胞结构进行了改进，提供了一种具有深N+空穴电流阻挡层的光控晶闸管设计方案。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)
1.一种具有深N+空穴电流阻挡层的光控晶闸管，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(4)和P基区(4)；所述P基区(4)上层两端分别具有N+光栅区(5)和N+阴极区(7)，在N+光栅区(5)和N+阴极区(7)之间的P基区(4)上层还具有N+放大区(6)；所述P基区(4)上表面具有光栅浮空电极(8)、放大栅浮空电极(9)和阴极(10)，所述光栅浮空电极(8)位于N+光栅区(5)靠近N+放大区(6)的一端，并沿P基区(4)上表面向N+放大区(6)方向延伸；所述放大栅浮空电极(9)位于N+放大区(6)上表面，并沿P基区(4)上表面向N+阴极区(7)方向延伸；所述阴极(10)位于N+阴极区(7)上表面，并沿P基区(4)上表面延伸至器件端部；
其特征在于，所述P基区(4)上层还具有深N+空穴电流阻挡层(11)，所述深N+空穴电流阻挡层(11)位于N+放大区(6)和N+阴极区(7)之间，且深N+空穴电流阻挡层(11)与N+阴极区(7)之间的间距为2～10μm；所述深N+空穴电流阻挡层(11)的宽度为5～50μm，深度为3～10μm，且深N+空穴电流阻挡层(11)下边界位于目标耐压对应的最宽耗尽线以上。
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