CN114361287A - 一种用于高温环境的硅基光触发多门极半导体开关芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高温环境的硅基光触发多门极半导体开关芯片，所述硅基光触发多门极半导体开关芯片包括依次形成的阴极电极、PN结结构和阳极电极，所述PN结结构为N+PN‑NP+结构，从上到下依次包括N+层、基层、N‑层、N层和P+层，通过所述PN结结构实现降低光触发多门极半导体开关芯片的漏电流。所述PN结结构为N+PN‑NP+结构的形成方式包括：将N基区分成N‑层和N层，或者在P区和N基区之间增加N‑层。所述阴极电极的结构为圆环状或梳条状电极结构。本发明解决了传统光触发多门极半导体开关芯片在高温(125℃)工作时由于晶体管增益会产生较大漏电流而使开关导通，导致应用系统崩溃或无法使用的问题。

Description

一种用于高温环境的硅基光触发多门极半导体开关芯片
技术领域
本发明涉及大功率半导体开关研究领域，具体涉及一种用于高温环境的硅基光触发多门极半导体开关芯片。
背景技术
光控晶闸管由4层掺杂层组成形成NPN和PNP晶体管，光控晶闸管具有功率容量大、易串联应用等优势，在高压直流输电、脉冲功率技术等领域应用广泛。但涉及到高di/dt应用时，光控晶闸管无法满足应用需求，光触发多门极半导体开关应运而生。
光触发多门极半导体开关与传统光控晶闸管不同，为提升开关开通速度，采用了高功率激光触发方式，激光功率较大(峰值功率一般大于百瓦)，但脉宽较窄(ns量级)；另外，控制形式不同，光控门极为多点、多区域或大面积结构，并在多门级中设计多元胞结构，以高功率激光直接在整个门级和元胞区域产生载流子，使开关迅速导通。光触发多门极半导体开关由光触发多门极半导体开关芯片、激光触发阵列及其驱动组成，其工作过程为：驱动接收控制信号，产生电流脉冲驱动激光触发阵列，激光触发阵列发射激光触发多门极半导体开关芯片，使开关导通，产生大电流输出。由于光触发多门极半导体开关采用激光触发控制，避免了电磁干扰问题。
但是，光触发多门极半导体开关芯片在高温(125℃)工作时由于晶体管增益，会产生较大漏电流，进而使开关导通，导致应用系统崩溃或无法使用。传统晶闸管在高温工作时降低增益的方式主要有：对主要pn结进行局部电子或质子辐照降低载流子寿命、阳极短路结构，但是上述方式会降低开关正向导通能力或反向阻断能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的光触发多门极半导体开关芯片在高温(125℃)工作时由于晶体管增益，会产生较大漏电流，进而使开关导通，导致应用系统崩溃或无法使用。本发明目的在于提供一种用于高温环境的硅基光触发多门极半导体开关芯片，实现光触发多门极半导体开关芯片在高温环境下的应用，解决了传统光触发多门极半导体开关芯片在高温(125℃)工作时由于晶体管增益会产生较大漏电流而使开关导通，导致应用系统崩溃或无法使用的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种用于高温环境的硅基光触发多门极半导体开关芯片，所述硅基光触发多门极半导体开关芯片包括依次形成的阴极电极、PN结结构和阳极电极，所述PN结结构为N+PN-NP+结构，从上到下依次包括N+层、基层、N-层、N层和P+层，通过所述PN结结构实现降低光触发多门极半导体开关芯片的漏电流，从而适应高温125℃。
工作原理是：基于现有的光触发多门极半导体开关芯片在高温(125℃)工作时由于晶体管增益，会产生较大漏电流，进而使开关导通，导致应用系统崩溃或无法使用。本发明将现有的光触发多门极半导体开关芯片的N基区分成N-层和N层或在P区和N基区间增加N-层，形成N+PN-NP+结构光触发多门极半导体开关芯片结构，本发明通过改变芯片pn结结构降低光触发多门极半导体开关芯片体的高温漏电流，从而适应高温125℃。
作为进一步地优选方案，所述PN结结构为N+PN-NP+结构的形成方式包括：
将N基区分成N-层和N层，或者在P区和N基区之间增加N-层。
作为进一步地优选方案，所述阴极电极的结构为圆环状或梳条状电极结构。
作为进一步地优选方案，所述阴极电极的结构为圆环状电极结构时，针对直径23mm开关芯片，圆环状阴极电极结构的半径为6.5mm。
作为进一步地优选方案，所述N+层凸出所述阴极电极一定尺寸。
作为进一步地优选方案，所述N+层凸出所述阴极电极的尺寸为30μm-80μm。
本发明将硅基光触发多门极半导体开关芯片阴极电极结构设计为圆环状或梳条状电极结构，同时合理设计N+层凸出圆环状或梳条状电极结构的尺寸，降低光触发半导体开关芯片暗态增益，提高开关芯片通流能力。
作为进一步地优选方案，所述N-层的厚度和掺杂浓度是依据漏电流和导通电流的大小需求来确定的。
一般情况下：N-层的厚度和掺杂浓度越小，漏电流和导通电流的大小越大；N-层的厚度和掺杂浓度越大，漏电流和导通电流的大小越小。
作为进一步地优选方案，所述硅基光触发多门极半导体开关芯片的斜角边缘终端上设有氧化硅钝化层或氮化硅钝化层，降低开关芯片终端漏电流。
作为进一步地优选方案，所述阳极电极的结构为全金属结构；所述N层包括漂移区N-drift和衬底层N-buffer。
作为进一步地优选方案，所述硅基光触发多门极半导体开关芯片为全光触发式的开关芯片。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明将现有的光触发多门极半导体开关芯片的N基区分成N-层和N层或在P区和N基区间增加N-层，形成N+PN-NP+结构光触发多门极半导体开关芯片结构，本发明通过改变芯片pn结结构降低光触发多门极半导体开关芯片体漏电流；
2、本发明将硅基光触发多门极半导体开关芯片阴极电极结构设计为圆环状或梳条状电极结构，同时合理设计N+层凸出圆环状或梳条状电极结构的尺寸，降低光触发半导体开关芯片暗态增益，提高开关芯片通流能力；
3、本发明在硅基光触发多门极半导体开关芯片斜角边缘终端上增加氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiN)钝化层，降低开关芯片终端漏电流。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为现有技术光触发多门极半导体开关芯片结构示意图。
图2为本发明一种用于高温环境的硅基光触发多门极半导体开关芯片的阴极结构示意图。
图3为本发明一种用于高温环境的硅基光触发多门极半导体开关芯片结构示意图。
图4为本发明一种用于高温环境的硅基光触发多门极半导体开关芯片终端结构示意图。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，图1为现有技术光触发多门极半导体开关芯片结构示意图，图1中，J1、J2、J3均为PN接头，Laser为激光照射，Cathode为阴极，Anode为阳极，PN结结构为N+PNP+，从阴极到阳极依次为N+层、P-base(P基区)层、N基区(N-drift(漂移区)层、N-buffer(衬底区)层)和P+层；
现有的光触发多门极半导体开关芯片在高温(125℃)工作时由于晶体管增益和终端结构影响，会产生较大漏电流，进而使开关导通，导致应用系统崩溃或无法使用。基于以上现有技术光触发多门极半导体开关芯片的问题，本发明设计了一种用于高温环境的硅基光触发多门极半导体开关芯片，如下：
如图3所示，本发明一种用于高温环境的硅基光触发多门极半导体开关芯片，所述硅基光触发多门极半导体开关芯片包括依次形成的阴极电极、PN结结构和阳极电极，所述PN结结构为N+PN-NP+结构，从上到下依次包括N+层、基层、N-层、N层和P+层，图3中的i层即N-层；通过所述PN结结构实现降低光触发多门极半导体开关芯片的漏电流，从而适应高温125℃。
图3中把现有技术图1中的N基区分成N-层(图3中i层)和N层，或者在P区和N基区之间增加N-层(图3中i层)，形成本发明的PN结结构为N+PN-NP+结构。
本实施例中，所述阳极电极的结构为全金属结构；所述N层包括漂移区N-drift和衬底层N-buffer。
本实施例中，所述硅基光触发多门极半导体开关芯片为全光触发式的开关芯片。
工作原理是：基于现有的光触发多门极半导体开关芯片在高温(125℃)工作时由于晶体管增益，会产生较大漏电流，进而使开关导通，导致应用系统崩溃或无法使用。本发明将现有的光触发多门极半导体开关芯片的N基区分成N-层和N层或在P区和N基区间增加N-层，形成N+PN-NP+结构光触发多门极半导体开关芯片结构，本发明通过改变现有芯片pn结结构降低光触发多门极半导体开关芯片体的高温漏电流，从而适应高温125℃。
实施例2
如图2、图3所示，本发明一种用于高温环境的硅基光触发多门极半导体开关芯片，所述硅基光触发多门极半导体开关芯片包括依次形成的阴极电极、PN结结构和阳极电极，所述PN结结构为N+PN-NP+结构，从上到下依次包括N+层、基层、N-层、N层和P+层，通过所述PN结结构实现降低光触发多门极半导体开关芯片的漏电流，从而适应高温125℃。
本实施例中，所述PN结结构为N+PN-NP+结构的形成方式包括：
将N基区分成N-层和N层，或者在P区和N基区之间增加N-层。
本实施例中，所述阳极电极的结构为全金属结构；所述N层包括漂移区N-drift和衬底层N-buffer。
本实施例中，所述硅基光触发多门极半导体开关芯片为全光触发式的开关芯片。
本实施例中，所述阴极电极的结构为圆环状或梳条状电极结构。图2为本发明一种用于高温环境的硅基光触发多门极半导体开关芯片的阴极结构示意图，图2(a)为梳条状阴极电极结构(梳条状包裹区域为电极金属)，图2(b)为圆环状阴极电极结构(实心灰色区域为电极金属)。
具体地，所述阴极电极的结构为圆环状电极结构时，针对直径23mm开关芯片，圆环状电极结构的半径为6.5mm。
本实施例中，所述N+层凸出所述阴极电极一定尺寸。具体地，所述N+层凸出所述阴极电极的尺寸为30μm-80μm，降低光触发半导体开关芯片暗态增益，提高开关芯片通流能力。
本实施例中，所述N-层的厚度和掺杂浓度是依据漏电流和导通电流的大小需求来确定的。
一般情况下：N-层的厚度和掺杂浓度越小，漏电流越大；N-层的厚度和掺杂浓度越大，漏电流越小；为实现降低漏电流的同时提高导通电流，设计了圆环状和梳条状阴极电极结构。
本实施例在实施例1的基础上，同时设计阴极电极的结构为圆环状或梳条状电极结构。基于图1可知，光触发多门极半导体开关LIMS是一种电力电子器件，与传统的电脉冲触发晶闸管有许多不同。LIMS由激光触发，开启时间小，抗电磁干扰强。LIMS的结构与晶闸管类似，但是LIMS的栅极区域为光触发区域，没有金属栅极。因此，LIMS的开启模式与传统的晶闸管有着明显的不同。激光进入栅区后，在P基区(P-base)会出现大量的电子和空穴，空穴聚集在PN结J2的P基区(P-base)，电子聚集在PN结J2周围的N漂移区(N-drift)。PN接头J2将首先打开，然后PN接头J3打开。NPN晶闸管将在PNP晶闸管之前断开。当激光脉冲较窄且峰值功率较高时，NPN和PNP晶闸管的延迟时间接近于零，因此导通速度较快。本发明在此基础上，考虑到LIMS的漏电流包括两部分：扩散电流与产生电流，1)扩散电流表达式为：
Figure BDA0003454732560000061
与P基区(P-base)和N型漂移区(N-drift)的厚度、掺杂浓度、寿命、扩散系数等相关，与温度强相关；2)产生电流表达式为：
Figure BDA0003454732560000062
与耗尽区扩展的宽度、产生载流子寿命等相关，基本与温度不相关。分析可得，根据Js公式，增加N-层可以降低光触发多门极半导体开关芯片的高温漏电流，适应高温125℃。
实施例3
如图2至图4所示，本发明一种用于高温环境的硅基光触发多门极半导体开关芯片，所述硅基光触发多门极半导体开关芯片包括依次形成的阴极电极、PN结结构和阳极电极，所述PN结结构为N+PN-NP+结构，从上到下依次包括N+层、基层、N-层、N层和P+层，通过所述PN结结构实现降低光触发多门极半导体开关芯片的漏电流，从而适应高温125℃。
本实施例中，所述PN结结构为N+PN-NP+结构的形成方式包括：
将N基区分成N-层和N层，或者在P区和N基区之间增加N-层。
本实施例中，所述阳极电极的结构为全金属结构；所述N层包括漂移区N-drift和衬底层N-buffer。
本实施例中，所述硅基光触发多门极半导体开关芯片为全光触发式的开关芯片。
本实施例中，所述阴极电极的结构为圆环状或梳条状电极结构。图2为本发明一种用于高温环境的硅基光触发多门极半导体开关芯片的阴极结构示意图，图2(a)为梳条状阴极电极结构(梳条状包裹区域为电极金属)，图2(b)为圆环状阴极电极结构(实心灰色区域为电极金属)。
具体地，所述阴极电极的结构为圆环状电极结构时，针对23mm开关芯片，圆环状电极结构的半径为6.5mm。
本实施例中，所述N+层凸出所述阴极电极一定尺寸。具体地，所述N+层凸出所述阴极电极的尺寸为30μm-80μm，降低光触发半导体开关芯片暗态增益，提高开关芯片通流能力。
本实施例中，所述N-层的厚度和掺杂浓度是依据漏电流和导通电流的大小需求来确定的。
一般情况下：N-层的厚度和掺杂浓度越小，漏电流和导通电流的大小越大；N-层的厚度和掺杂浓度越大，漏电流和导通电流的大小越小。
本实施例中，如图4所示，所述硅基光触发多门极半导体开关芯片的斜角边缘终端上设有氧化硅(SiO2)钝化层或氮化硅(SiN)钝化层，降低开关芯片终端漏电流。
本实施例在实施例1和实施例2的基础上，设计所述硅基光触发多门极半导体开关芯片的斜角边缘终端上设有氧化硅钝化层或氮化硅钝化层，降低开关芯片终端漏电流。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于高温环境的硅基光触发多门极半导体开关芯片，所述硅基光触发多门极半导体开关芯片包括依次形成的阴极电极、PN结结构和阳极电极，其特征在于，所述PN结结构为N+PN-NP+结构，从上到下依次包括N+层、基层、N-层、N层和P+层，通过所述PN结结构实现降低光触发多门极半导体开关芯片的漏电流。
2.根据权利要求1所述的一种用于高温环境的硅基光触发多门极半导体开关芯片，其特征在于，所述PN结结构为N+PN-NP+结构的形成方式包括：
将N基区分成N-层和N层，或者在P区和N基区之间增加N-层。
3.根据权利要求1所述的一种用于高温环境的硅基光触发多门极半导体开关芯片，其特征在于，所述阴极电极的结构为圆环状或梳条状电极结构。
4.根据权利要求3所述的一种用于高温环境的硅基光触发多门极半导体开关芯片，其特征在于，所述阴极电极的结构为圆环状电极结构时，针对23mm开关芯片，圆环状电极结构的半径为6.5mm。
5.根据权利要求3所述的一种用于高温环境的硅基光触发多门极半导体开关芯片，其特征在于，所述N+层凸出所述阴极电极一定尺寸。
6.根据权利要求5所述的一种用于高温环境的硅基光触发多门极半导体开关芯片，其特征在于，所述N+层凸出所述阴极电极的尺寸为30μm-80μm。
7.根据权利要求1所述的一种用于高温环境的硅基光触发多门极半导体开关芯片，其特征在于，所述N-层的厚度和掺杂浓度是依据漏电流和导通电流的大小需求来确定的。
8.根据权利要求1所述的一种用于高温环境的硅基光触发多门极半导体开关芯片，其特征在于，所述硅基光触发多门极半导体开关芯片的斜角边缘终端上设有氧化硅钝化层或氮化硅钝化层。
9.根据权利要求1所述的一种用于高温环境的硅基光触发多门极半导体开关芯片，其特征在于，所述阳极电极的结构为全金属结构；所述N层包括漂移区N-drift和衬底层N-buffer。
10.根据权利要求1所述的一种用于高温环境的硅基光触发多门极半导体开关芯片，其特征在于，所述硅基光触发多门极半导体开关芯片为全光触发式的开关芯片。
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