CN203871338U - 一种超高速脉冲晶闸管 - Google Patents
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Abstract
本实用新型的名称为一种超高速脉冲晶闸管及其制造方法。属于功率半导体器件技术领域。它主要是解决现有快开通晶闸管器件的二级放大门级结构不能满足强触发、超高浪涌电流要求的问题。它的主要特征是：由下封接件、下钼片、硅片、上钼片、上封接件、门极组件封装而成；在所述的阳极区与长基区之间增加N缓冲层区，使硅片为P+NN-PN+五层三端结构；所述的阳极区为透明阳极区；所述的阴极为多元胞并联阴极结构，元胞间的短基区表面设有钝化层；所述的门极为深槽结构；阴极界面处VKG为18-23V，同片元胞VKG之间差值小于1V。本实用新型具有高di/dt耐量、高频可重复性、高电压、大电流、低压降和一定关断能力的特点，主要应用于大功率脉冲电源、大功率激光器等装置。
Description
技术领域
本实用新型属于功率半导体器件技术领域。具体涉及一种超高速脉冲晶闸管，主要应用于大功率脉冲电源、大功率激光器等装置。
背景技术
传统的快开通晶闸管器件，多采用二级放大门级结构，通过放大门级对主晶闸管器件强触发，但是随着对浪涌电流要求越来越高，二级放大门级结构的普通晶闸管器件已经无法满足要求。
脉冲功率晶闸管是通过改进现有开通触发结构，将原有的二级放大门级结构改成阴极隔离方式直接触发导通，不但有大的开通线长度，而且减少了二级放大门级结构中大的导通时间延迟，通过高的表面浓度进一步增加了开通速度。
超高速脉冲功率晶闸管（PPT）是一种高di/dt，并且具有一定关断能力的电力半导体器件，特点是器件浪涌能力有较高的di/dt耐量，di/di可达10kA/μS以上，主要用于对di/dt耐量有较高要求的普通快开通晶闸管的替代方案。电力半导体的扩散及封装技术是器件制作中的重要方法。
发明内容
本实用新型旨在针对目前普通晶闸管应用时，某些应用中对di/dt耐量要求较高，普通晶闸管放大门级结构已经渐渐无法满足市场需求，提供一种高di/dt耐量，高频可重复性、高电压、大电流、低压降、并且具有一定关断能力的超高速脉冲晶闸管。
本实用新型超高速脉冲晶闸管的技术解决方案是：一种超高速脉冲晶闸管，由下封接件、下钼片、硅片、上钼片、上封接件、门极组件封装而成；该硅片包括阳极区、长基区、短基区及阴极区四层结构和阳极、阴极及门极三个端子；其特征在于：在所述的阳极区与长基区之间增加N缓冲层区，使硅片为P+NN-PN+五层三端结构；所述的阳极区为透明阳极区；所述的阴极为多元胞并联阴极结构，元胞间的短基区表面设有钝化层；所述的门极为深槽结构。
本实用新型超高速脉冲晶闸管的技术解决方案中所述的多元胞并联阴极结构采用多层环形均匀排布，元胞长宽比为10~30:1。
本实用新型超高速脉冲晶闸管的技术解决方案中所述的N缓冲层区的掺杂浓度在1×1016/cm3~1×1018/cm3之间，结深为18~40μm。
本实用新型超高速脉冲晶闸管的技术解决方案中所述的透明阳极区浓度在1×1018/cm3~1×1020/cm3之间，结深为8~30μm。
本实用新型超高速脉冲晶闸管的技术解决方案中所述的阴极区表面浓度在1×1019/cm3~1×1021/cm3之间，结深18~30μm。
本实用新型超高速脉冲晶闸管的技术解决方案中所述的门极的槽深为18∽35μm，阴极区和短基区之间的PN结表面有200~300nm厚的氧化层或/和聚酰亚胺钝化层。
本实用新型超高速脉冲晶闸管的技术解决方案中所述的短基区的表面杂质浓度为1×1017/cm3~8×1019/cm3，结深80~140μm。
本实用新型由于在现有阳极区与长基区之间增加N缓冲层区，使硅片为P+NN-PN+五层三端结构，阳极区采用透明阳极区，门极采用深槽结构，阴极采用多元胞并联阴极结构，元胞之间的表面采用聚酰亚胺钝化层保护，阴极面中心为中心门级，因而阴极面通过门级可关断晶闸管相同的元胞结构，通过阴极挖深槽，PN结氧化层保护，PN结的VKG控制在18~23V，片内VKG均匀性1V。
本实用新型具有的特点技术如下：
1、阻断电压4500∽5000V，高di/dt耐量，可达5000A/μs以上；
2、深槽刻蚀，隔离单个并联器件元胞；
3、挖槽PN结热氧化SiO2保护和光刻聚酰亚胺钝化层保护；
4、阳极面采用缓冲层和透明阳极设计；
5、缓冲层离子注入和高温氧化推进；
6、低应力全压接封装。
本实用新型具有高di/dt耐量、高频可重复性、高电压、大电流、低压降、并且具有一定关断能力的特点。本实用新型主要用于超高速脉冲晶闸管。
附图说明
图1是本实用新型的产品结构示意图。
图2是本实用新型硅片结构示意图。
图3是本实用新型硅片的一种阴极结构图。
图4是本实用新型硅片的另一种阴极结构图。
图中：A-阳极，K-阴极，G-门极，1-下封接件，2-下钼片，3-硅片，4-上钼片，5-上封接件，6-门极组件，41- P+阳极区，42- N缓冲层区，43- N-长基区，44- P2短基区，45- N+阴极区，46-阴极金属层，47-门极金属层，48-阳极金属层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1、图2所示。本实用新型超高速脉冲功率晶闸管由下封接件1、下钼片2、硅片3、上钼片4、上封接件5、门极组件6封装而成。下钼片2、硅片3、上钼片4一次压接成整体的半导体芯片。硅片3包括P+阳极区41、N缓冲层区42、N-长基区43、P2短基区44、N+阴极区45、以及阳极A、阴极K和门极G三个端子。N缓冲层区42为P+阳极区41与N-长基区43之间增加的，N缓冲层的掺杂浓度在1×1016/cm3~1×1018/cm3之间，使硅片形成P+NN-PN+五层三端结构。P+阳极区41为透明阳极，透明阳极区P+浓度在1×1018/cm3~1×1020/cm3之间。门极G为深槽结构，阴极K为多元胞并联阴极结构，采用多层环形均匀排布，元胞长宽比为10~30:1，元胞之间的表面采用聚酰亚胺钝化层保护。阴极面杂质分布深度为18~30um，浓度在1×1019/cm3~1×1021/cm3之间， PN结电压设计要求为18~23V，片内均匀性小于1V，PN结处有厚度为200~300nm的氧化层，阴极面中心门级以外门级上有聚酰亚胺表面钝化层。P+阳极区41、P2短基区44采用Ga、Al双质扩散，P2短基区44的Ga杂质浓度在1×1017/cm3~5×1019/cm3之间，P2短基区44外层为高浓度N+型杂质层，N+型杂质层浓度在1×1019/cm3~1×1021/cm3之间。N-长基区43衬底的掺杂浓度在1×1012/cm3~1×1014/cm3之间。硅片3厚度为500-950μm，硅片3台面正斜角角度θ1大小为：20o≤θ1≤60o，负斜角角度θ2大小为：1.5o≤θ2≤5o。超高速脉冲功率晶闸管P+NN-PN+五层结构芯片杂质分布曲线见图3所示。
本实用新型一种超高速脉冲晶闸管可采用以下步骤制造：
①选用厚度为500-950μm、电阻率为250∽500Ω·cm、晶向<111>或<100>、N型衬底NTD单晶硅片，硅片掺杂浓度在1×1012/ cm3~1×1014/ cm3之间，硅片双面采用磷吸收工艺处理；
②P区扩散：硅片双面通过Al、Ga双杂质分布扩散形成P2短基区，P2短基区的结深为80∽140μm，P2短基区表面杂质浓度为1×1017∽8×1019/cm3；
③缓冲层扩散：对减薄处理的硅片阳极面采用缓冲层磷离子注入或者磷全扩散方法形成N缓冲层；
④N+扩散：在硅片P2短基区上进行全表面磷扩散形成N+阴极区，N+阴极区表面浓度为1×1019/cm3∽1×1021/cm3，N+阴极区结深为18∽30μm；
⑤P+扩散：在N缓冲层表面进行透明阳极P+扩散，结深为8∽30μm，阳极区P+表面杂质浓度1×1018∽1×1020/cm3；
⑥阴极挖槽：对N+阴极区进行选择性深挖槽处理，挖槽深度为18∽35μm；对P2短基区、N+阴极区表面进行表面和PN结氧化层或和采用聚酰亚胺保护；
⑦硅片双面蒸镀金属层，形成阳极金属层48，对阴极面选择性刻蚀，形成门极金属层47、阴极金属层46；硅片边缘进行台面造型，负斜角角度θ2大小为：1.5o≤θ2≤5o，台面正斜角θ1角度大小为：20o≤θ1≤60o；
⑧对硅片和钼片进行低温压接，上钼片作为芯片的阴极K，下钼片作为芯片的阳极A，门极通过门级引线接出；
⑨最后将半导体芯片与管壳下封接件1、上封接件5、门极组件6封装。
其中缓冲层扩散采用磷离子注入或者磷全扩散方法：
缓冲层磷离子注入+扩散：
①磷离子注入准备（设备、工装、过程）；
②磷离子注入；
③高温氧化推进。
工艺条件为：
①剂量：1~8×1016,能量：40~100Kev，注入角度：5~9度；
②推进条件：温度：1200∽1250℃，推进时间：20-30h，N2=2.5L/ min，O2=2L/ min；
缓冲层磷全扩散工艺条件：
①磷预沉积条件，1120∽1220℃，LN2=50~200ml/min，预沉积时间：3~30分钟，恒温时间15分钟；
②磷推进条件：温度 1200~1240℃，N2=6L/ min，O2=2L/ min。
其中透明阳极(p+)采用扩散工艺是：
①硼源采用酒精源或乳胶源，为氧化硼的酒精或乳胶源饱和溶液，采用恒定表面源扩散方法；
②推进条件，1180∽1250℃，N2=6L/ min，O2=0.5L/ min，时间120~300min。
阴极面中心门极以外门极上采用聚酰亚胺形成钝化层保护，可以保护铝层免受侵蚀，增加爬电距离。
芯片采用电子辐照的方法控制少子寿命为10∽30μs，可以调节器件关断时间为10∽80μs。
本实用新型的一种具体实施方式芯片阴极示意图如图3所示。
本实用新型的另一种具体实施方式芯片阴极示意图如图4所示。
按照上述技术方案制作了Φ50mm超高速脉冲晶闸管方案产品，与普通晶闸管测试参数对比如下：
数据表明，按照本方案制作的超高速脉冲晶闸管其动态开通参数、通态压降、di/dt测试性能均远远超过普通晶闸管。
试做若干只Φ100mm超高速脉冲晶闸管器件，经过测试和试验，在本实用新型的门极G和阴极K之间施加较小的触发电流时（通常1∽1.5A），超高速脉冲晶闸管开通，阻断电压达4500∽5000V，平均通态电流IT(AV)达1600A∽1800A，电流上升率diT/dt可达10KA/μs。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制。因此凡是未脱离本实用新型的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围。
Claims (7)
1.一种超高速脉冲晶闸管，由下封接件（1）、下钼片（2）、硅片（3）、上钼片（4）、上封接件（5）、门极组件（6）封装而成；该硅片（3）包括阳极区（41）、长基区（43）、短基区（44）和阴极区（45）四层结构，以及阳极（A）、阴极（K）和门极（G）三个端子；其特征在于：在所述的阳极区（41）与长基区（43）之间增加N缓冲层区（42），使硅片为P+NN-PN+五层三端结构；所述的阳极区（41）为透明阳极区；所述的阴极（K）为多元胞并联阴极结构，元胞间的短基区（44）表面设有钝化层；所述的门极（G）为深槽结构。
2.根据权利要求1所述的一种超高速脉冲晶闸管,其特征在于：所述的多元胞并联阴极结构采用多层环形均匀排布，元胞长宽比为10~30:1。
3.根据权利要求1或2所述的一种超高速脉冲晶闸管,其特征在于：所述的N缓冲层区（42）的掺杂浓度在1×1016/cm3~1×1018/cm3之间，结深为18~40μm。
4.根据权利要求1或2所述的一种超高速脉冲晶闸管,其特征在于：所述的透明阳极区浓度在1×1018/cm3~1×1020/cm3之间，结深为8~30μm。
5.根据权利要求1或2所述的一种超高速脉冲晶闸管,其特征在于：所述的阴极区（45）表面浓度在1×1019/cm3~1×1021/cm3之间，结深18~30μm。
6.根据权利要求1或2所述的一种超高速脉冲晶闸管,其特征在于：所述的门极（G）的槽深为18∽35μm, 阴极区（45）和短基区（44）之间的PN结表面有200~300nm厚的氧化层或/和聚酰亚胺钝化层。
7.根据权利要求1或2所述的一种超高速脉冲晶闸管,其特征在于：所述的短基区（44）的表面杂质浓度为1×1017/cm3~8×1019/cm3，结深80~140μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20141008 |