CN114361288A - 一种大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片，包括依次形成的阳极电极、PN结结构和阴极电极，所述PN结结构为P+NP‑PNN+结构，采用高功率激光触发方式。为提高开关芯片工作电压，本发明将基区P‑的厚度增大、掺杂浓度降低，通过激光触发能量抑制基区厚度增大导致的通态损耗增大；通过设计圆环状电极结构，同时合理设计P+层凸出圆环状电极结构的尺寸，提高开关芯片通流能力和开通速度；开关终端采用场限环结构，并在终端上增加PI钝化层，降低开关芯片终端漏电流。本发明能够使开关工作电压达到15kV以上、di/dt达到200kA/μs，而且光触发多门极半导体开关可在125℃高温条件下正常工作。

Description

一种大功率碳化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技术领域，具体涉及一种大功率碳化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、并联应用等优势，在高压直流输电、脉冲功率技术等领域应用广泛。但涉及到大功率条件下的高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。目前研究和应用较多的为Si基光触发多门极半导体开关，但是Si基光触发多门极半导体开关芯片工作电压一般无法超过10kV，而且在极端条件下(高低温、辐照等)应用可靠性差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的Si基光触发多门极半导体开关芯片工作电压一般无法超过10kV，而且在极端条件下(高低温、辐照等)应用可靠性差。本发明目的在于提供一种大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片，本发明使开关工作电压达到15kV以上、di/dt达到200kA/μs，而且光触发多门极半导体开关可在125℃高温条件下正常工作，可以大幅度降低脉冲功率装置的体积、重量，拓展光触发多门极半导体开关在脉冲功率领域的应用。
本发明通过下述技术方案实现：
一种大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片，所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片包括依次形成的阳极电极、PN结结构和阴极电极，所述PN结结构为P+NP-PNN+结构，从上到下依次包括P+层、基区N层、基区P-层、P层、N层、N+层；且所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片采用高功率激光触发方式。
工作原理是：基于现有的Si基光触发多门极半导体开关芯片工作电压一般无法超过10kV，而且在极端条件下(高低温、辐照等)应用可靠性差。考虑到SiC作为第三代宽禁带半导体材料，具有击穿场强高、热导率高、饱和载流子漂移速度高、抗辐照能力强等优势，在高温、高电压、大功率、抗辐照等领域有广阔的应用前景。为提升开关在大电流工作条件下的开通速度，碳化硅基光触发多门极半导体开关采用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(数十ns量级)；另外，碳化硅基光触发多门极半导体开关触发极设计为多点、多区域或大面积结构，并在开关芯片中设计多元胞结构，以高功率激光直接在整个门级和元胞区域产生载流子，使开关快速导通。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，方便实现开关的串、并联应用。为进一步提高光触发多门极半导体开关的工作电压、大电流工作条件下的开通速度等，本发明提出了大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片，由于目前没有SiC材料的光触发多门极半导体开关，因此，该设计是依据理论计算首次提出的。
本发明使开关工作电压达到15kV以上、di/dt达到200kA/μs，而且光触发多门极半导体开关可在125℃高温条件下正常工作，可以大幅度降低脉冲功率装置的体积、重量，拓展光触发多门极半导体开关在脉冲功率领域的应用。
作为进一步地优选方案，所述基区P-层的厚度大于100μm，掺杂浓度为4×1014cm-3。相比现有PN结结构，为提高开关芯片工作电压，将基区P-的厚度增大、掺杂浓度降低，通过激光触发能量抑制基区厚度增大导致的通态损耗增大。
作为进一步地优选方案，所述阳极电极的结构为圆环状电极结构。
作为进一步地优选方案，所述圆环状电极结构的半径为2135μm。
作为进一步地优选方案，所述P+层凸出所述圆环状电极结构一定尺寸。
作为进一步地优选方案，所述P+层凸出所述圆环状电极的尺寸为30μm～50μm。通过P+层凸出所述圆环状电极的尺寸这样的设计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和开通速度。
作为进一步地优选方案，所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片的面积为5.5mm×5.5mm。
作为进一步地优选方案，所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片的终端采用场限环结构，设计大于100个环，环间距依据耐压进行优化设计。
作为进一步地优选方案，所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片的终端上设有PI钝化层。
作为进一步地优选方案，所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片的工作电压达到15kV以上、电流上升速率di/dt达到200kA/μs，而且所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片可实现在125℃高温条件下正常工作。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明为提升光触发多门极半导体开关在高温、高电压、大功率、抗辐照等工作条件下的可靠性，本发明提出了大功率、快导通速度碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片，所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片的PN结结构为P+NP-PNN+，同时为提高开关芯片工作电压，将基区P-的厚度增大、掺杂浓度降低，通过激光触发能量抑制基区厚度增大导致的通态损耗增大。
2、本发明阳极电极的结构为圆环状电极结构，且P+层凸出圆环状电极结构一定尺寸，提高开关芯片通流能力和开通速度。
3、本发明开关终端采用场限环结构，并在终端上增加PI钝化层，降低开关芯片终端漏电流。
4、本发明使开关工作电压达到15kV以上、di/dt达到200kA/μs，而且光触发多门极半导体开关可在125℃高温条件下正常工作，可以大幅度降低脉冲功率装置的体积、重量，拓展光触发多门极半导体开关在脉冲功率领域的应用。
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为本发明一种大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片结构示意图。
图2为本发明一种大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片阳极结构示意图一。
图3为本发明一种大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片阳极结构示意图二。
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，本发明一种大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片，所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片包括依次形成的阳极电极、PN结结构和阴极电极，所述PN结结构为P+NP-PNN+结构，从上到下依次包括P+层、基区N层、基区P-层、P层、N层、N+层；且所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片采用高功率激光触发方式。
所述基区P-层的厚度大于100μm，掺杂浓度为4×1014cm-3。相比现有PN结结构，为提高开关芯片工作电压，将基区P-的厚度增大、掺杂浓度降低，通过激光触发能量抑制基区厚度增大导致的通态损耗增大。
图1为本发明一种大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片结构示意图，从阳极到阴极依次包括P+层(Pplus)、基区N层(Nbase)、基区P-层(Pbase)、P层(P buff)、N层(Nbuff)、N+层(N sub)，具体各层参数如图中所示。
工作原理是：基于现有的Si基光触发多门极半导体开关芯片工作电压一般无法超过10kV，而且在极端条件下(高低温、辐照等)应用可靠性差。考虑到SiC作为第三代宽禁带半导体材料，具有击穿场强高、热导率高、饱和载流子漂移速度高、抗辐照能力强等优势，在高温、高电压、大功率、抗辐照等领域有广阔的应用前景。为提升开关在大电流工作条件下的开通速度，碳化硅基光触发多门极半导体开关采用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(数十ns量级)；另外，碳化硅基光触发多门极半导体开关触发极设计为多点、多区域或大面积结构，并在开关芯片中设计多元胞结构，以高功率激光直接在整个门级和元胞区域产生载流子，使开关快速导通。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，方便实现开关的串、并联应用。为进一步提高光触发多门极半导体开关的工作电压、大电流工作条件下的开通速度等，本发明提出了大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片，由于目前没有SiC材料的光触发多门极半导体开关，因此，该设计是依据理论计算首次提出的。
本发明使开关工作电压达到15kV以上、di/dt达到200kA/μs，可以大幅度降低脉冲功率装置的体积、重量，拓展光触发多门极半导体开关在脉冲功率领域的应用。
实施例2
如图1、图2所示，本发明一种大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片，所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片包括依次形成的阳极电极、PN结结构和阴极电极，所述PN结结构为P+NP-PNN+结构，从上到下依次包括P+层、基区N层、基区P-层、P层、N层、N+层；且所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片采用高功率激光触发方式。
本实施例中，所述基区P-层的厚度为大于100μm，掺杂浓度为4×1014cm-3。相比现有PN结结构，为提高开关芯片工作电压，将基区P-的厚度增大、掺杂浓度降低，通过激光触发能量抑制基区厚度增大导致的通态损耗增大。
本实施例中，所述阳极电极的结构为圆环状电极结构，所述圆环状电极结构的半径为2135μm。
图2和图3分别为激光触发面积相同时的两种阳极电极结构图(灰色区域为电极金属，白色为激光触发区域)。
本实施例中，所述P+层凸出所述圆环状电极结构一定尺寸。所述P+层凸出所述圆环状电极的尺寸为30μm～50μm。通过P+层凸出所述圆环状电极的尺寸这样的设计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和开通速度。
本实施例中，所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片的面积为5.5mm×5.5mm。
本实施例中，所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片的工作电压达到15kV以上、电流上升速率di/dt达到200kA/μs，而且所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片可实现在125℃高温条件下正常工作。
工作原理是：为提升光触发多门极半导体开关在高温、高电压、大功率、抗辐照等工作条件下的可靠性，本发明提出了大功率、快导通速度碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片，所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片的PN结结构为P+NP-PNN+，同时为提高开关芯片工作电压，将基区P-的厚度增大、掺杂浓度降低，通过激光触发能量抑制基区厚度增大导致的通态损耗增大；另外阳极电极的结构为圆环状电极结构，且P+层凸出圆环状电极结构一定尺寸，提高开关芯片通流能力和开通速度。本发明使开关工作电压达到15kV以上、di/dt达到200kA/μs，而且光触发多门极半导体开关可在125℃高温条件下正常工作，可以大幅度降低脉冲功率装置的体积、重量，拓展光触发多门极半导体开关在脉冲功率领域的应用。
实施例3
如图1、图2所示，所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片包括依次形成的阳极电极、PN结结构和阴极电极，所述PN结结构为P+NP-PNN+结构，从上到下依次包括P+层、基区N层、基区P-层、P层、N层、N+层；且所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片采用高功率激光触发方式。
所述基区P-层的厚度为大于100μm，掺杂浓度为4×1014cm-3。相比现有PN结结构，为提高开关芯片工作电压，将基区P-的厚度增大、掺杂浓度降低，通过激光触发能量抑制基区厚度增大导致的通态损耗增大。
本实施例中，所述阳极电极的结构为圆环状电极结构，所述圆环状电极结构的半径为2135μm。
本实施例中，所述P+层凸出所述圆环状电极结构一定尺寸。所述P+层凸出所述圆环状电极的尺寸为30μm～50μm。通过P+层凸出所述圆环状电极的尺寸这样的设计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和开通速度。
本实施例中，所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片的面积为5.5mm×5.5mm。
本实施例中，所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片的工作电压达到15kV以上、电流上升速率di/dt达到200kA/μs，而且所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片可实现在125℃高温条件下正常工作。
本实施例中，所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片的终端采用场限环结构，设计大于100个环，环间距依据耐压进行优化设计。
本实施例中，所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片的终端上设有PI钝化层。
本发明在实施例2的基础上，设计开关终端采用场限环结构，并在终端上增加PI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)

1.一种大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片，所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片包括依次形成的阳极电极、PN结结构和阴极电极，其特征在于，所述PN结结构为P+NP-PNN+结构，从上到下依次包括P+层、基区N层、基区P-层、P层、N层、N+层；且所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片采用高功率激光触发方式。
2.根据权利要求1所述的一种大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片，其特征在于，所述基区P-层的厚度大于100μm，掺杂浓度为4×1014cm-3。
3.根据权利要求1所述的一种大功率碳化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圆环状电极结构。
4.根据权利要求3所述的一种大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片，其特征在于，所述圆环状电极结构的半径为2135μm。
5.根据权利要求3所述的一种大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片，其特征在于，所述P+层凸出所述圆环状电极结构一定尺寸。
6.根据权利要求5所述的一种大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片，其特征在于，所述P+层凸出所述圆环状电极的尺寸为30μm～50μm。
7.根据权利要求1所述的一种大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片，其特征在于，所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片的面积为5.5mm×5.5mm。
8.根据权利要求1所述的一种大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片，其特征在于，所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片的终端采用场限环结构，环间距依据耐压进行优化设计。
9.根据权利要求8所述的一种大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片，其特征在于，所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片的终端上设有PI钝化层。
10.根据权利要求1所述的一种大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片，其特征在于，所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片的工作电压达到15kV以上、电流上升速率di/dt达到200kA/μs，而且所述大功率碳化硅基光触发多门极半导体开关芯片实现在125℃高温条件下正常工作。
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