CN217522015U - 一种具有强穿通的非对称快速晶闸管 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种具强穿通的非对称快速晶闸管,从上往下依次设置有阴极AL层、阴极P区，N‑基区，阳极N缓冲层，阳极高浓度P+区和阳极AL层，在阴极AL层与阴极P区之间设有阴极高浓度N+区和P+区，本实用新型结构的N‑基区厚度比普通对称型快速晶闸管薄约20％～50％，片厚减薄的程度视应用要求的反向阻断电压值而定。因此，本实用新型大大降低器件的通态压降，提高di/dt能力，降低存储电荷，提高快速关断能力，在开通和关断特性之间实现良好折中。主要应用于大功率的中、高频感应加热电源领域。

Description

一种具有强穿通的非对称快速晶闸管

技术领域

本实用新型属于电力半导体器件制造技术领域，具体涉及一种具有强穿通的非对称快速晶闸管。

背景技术

目前，感应加热已经成为国防、船舶、飞机及汽车制造等领域不可缺少的技术，在感应加热领域，晶闸管以容量大、耐高压、效率高等优点，仍广泛应用于工频及中频领域，尤其是在同容量的情况下，晶闸管与自关断器件，如功率MOSFET、IGBT等相比，在成本上有其无法比拟的优势；基于快速晶闸管的中频电源主要应用于熔炼、透热、焊接及淬火方面。因此，基于快速晶闸管的中频电源发展对取代用焦煤加热的高污染加热方式有非常现实的重要意义。

通常的快速晶闸管是一种PNPN四层三端对称结构的半导体器件，通过后端少子寿命控制工艺进行存储电荷控制，这无法在通态压降和关断速度上进行良好折中，通常的非对称晶闸管反向阻断电压仅有 30～60V，不能够满足中频感应加热电源逆变电路的要求(≧200V)。现有结构具有浅P型阳极的非对称快速晶闸管，通过阳极P+区的注入效率和终端电场分布来控制反向阻断电压,工艺控制难度较大，反向阻断电压不稳定，成品率较低。

实用新型内容

本实用新型目的是针对现有产品工艺控制难度较大，反向阻断电压不稳定，成品率较低的问题，提供及一种具有强穿通的非对称快速晶闸管。

本实用新型所采用的技术方案是，一种具有强穿通的非对称快速晶闸管，从上往下依次设置有阴极AL层、阴极P区，N-基区，阳极 N缓冲层，阳极高浓度P+区和阳极AL层，在阴极AL层与阴极P区之间设有阴极高浓度N+区和P+区。

所述正向阻断电场在阳极N缓冲层中截止，所述反向阻断电场穿通过阳极N缓冲层在N-基区中截止，所述正向阻断电压与反向阻断电压是非对称的。

所述阴极N+区深度为10～20μm。

所述阴极P+区深度为10～20μm。

所述阴极P区深度为45～140μm。

所述N-基区厚度为200～500μm。

所述阳极N缓冲层结深为10～30μm。

所述阳极P+区深度为10～20μm。

当反向阻断电压为100～500V时，对应的阳极N缓冲层深度为 10～20μm；反向阻断电压为500～2000V时，对应的阳极N缓冲层深度为20～30μm。

本实用新型结构与现有普通对称型快速晶闸管相比，具有如下有益效果：

本实用新型结构的N-基区厚度比普通对称型快速晶闸管薄约 20％～50％，片厚减薄的程度视应用要求的反向阻断电压值而定。因此，本实用新型可以克服现有设计工艺控制难度较大，反向阻断电压不稳定，成品率较低的不足，大大降低器件的通态压降，提高di/dt能力，降低存储电荷，提高快速关断能力，在开通和关断特性之间实现良好折中。

附图说明

图1是现有普通对称型快速晶闸管的结构剖面图和阻断电场分布示意图。

图2是本实用新型的结构剖面图和阻断电场分布示意图。

图3是本实用新型的反向阻断特性示意图。

图4是本实用新型在反向阻断下的N-基区电场强度分布示意图。

图5是本实用新型和现有结构通态特性的对比示意图。

图6是本实用新型和现有结构正向阻断电压的对比示意图。

附图标记说明：

10-阴极AL层；20-N+区；21-P+区；22-阴极P区30-N-基区； 40-阳极P缓冲层40；41-高浓度P+区；42阳极N缓冲层；50-阳极 AL层；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型予以详细说明。

参照图2，本实用新型一种具有强穿通非对称快速晶闸管的结构是，从上往下依次设置有阴极AL层10、阴极P区22，N-基区30，阳极N缓冲层42，阳极高浓度P+区41和阳极AL层50，在阴极AL 层10与阴极P区22之间设有阴极高浓度N+区20和P+区21。其中阴极N+区20深度为10～20μm，掺杂浓度为1×10¹⁹～1×10²⁰cm^-3；阴极 P+区21深度为10～20μm，掺杂浓度为1×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3；阴极P区 22深度为45～140μm，掺杂浓度为1×10¹⁴～1×10¹⁷cm^-3；N-基区30厚度为200～500μm，掺杂浓度为5×10¹²～1×10¹⁴cm^-3；阳极N缓冲层42 掺杂浓度为1×10¹⁴～1×10¹⁶，结深为10～30μm；阳极P+区41深度为 10～20μm，掺杂浓度为1×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3。

图1与图2相比之下，结构上的不同点在于本实用新型结构的阳极N缓冲层42取代了普通对称型快速晶闸管结构的阳极P缓冲层40，因此实现了穿通型的基区电场分布，

N-基区30的厚度比现有结构薄了约20％～50％。

制造工艺：

硅单晶材料选择中子嬗变掺杂(NTD)型，N-基区30电阻率为 50～200Ω*cm，厚度为200～500μm。N-基区30电阻率和厚度的选择首先要确保正向阻断电压和压降满足应用的要求。

在N-基区30的阳、阴极侧同时扩散AL，然后腐蚀掉阳极AL，将阴极P区22扩散到45～140μm；接着在阳极扩散低浓度磷，形成阳极N缓冲层42，结深为10～30μm；最后在阳极和阴极同时扩散硼，形成P+区21和高浓度P+区41。

其中，阳极N缓冲层42深度和浓度根据反向阻断电压的大小进行调节，以满足不同的应用要求。

典型的，当反向阻断电压为100～500V时，对应的阳极N缓冲层 42浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁶，深度为10～20μm；

典型的，当反向阻断电压为500～2000V时，对应的阳极N缓冲层 42浓度为1×10¹⁴～1×10¹⁵，深度为20～30μm；

本实用新型一种具有强穿通非对称快速晶闸管，以2.8kV耐压等级为例，采用软件对其进行仿真。下面结合仿真结果对本实用新型器件结构做以解释。

图3是本实用新型和现有结构正向阻断电压的对比。

本实用新型晶闸管结构的正向阻断电压为3500V，现有晶闸管结构的正向阻断电压为3560V。可见，通过合理设计，本实用新型比现有晶闸管器件结构的片厚减小了33.3％，但依然有很高的击穿电压。

图4是本实用新型和现有结构通态特性的对比。

在2000A下，本实用新型结构的压降为1.84V，现有器件结构的压降为2.74V，相比之下降低了32.8％。这意味着通态损耗可以大大降低。

图5为本实用新型的反向阻断特性。

图6为本实用新型在反向阻断下的N-基区30电场强度分布。

Cn表示为不同的阳极N缓冲层42掺杂浓度，其中Cn1>Cn2> Cn3>Cn4>Cn5。由图5可知，随着阳极N缓冲层42浓度的增加，反向阻断电压从2040V降低到260V。反向阻断下的电场分布由阳极扩展到阴极，随着阳极N缓冲层42浓度的增加，阳极侧电场向N-基区30 穿通受阻，进而导致反向阻断电压降低，因此，通过阳极N缓冲层42掺杂浓度和厚度的合理设计可以控制反向阻断电压的大小，以满足不同的应用需求。

本实用新型可以克服现有设计工艺控制难度较大，反向阻断电压不稳定，成品率较低的不足，大大降低器件的通态压降，提高di/dt 能力，降低存储电荷，提高快速关断能力，在开通和关断特性之间实现良好折中。

Claims (8)

1.一种具有强穿通的非对称快速晶闸管，其特征在于：从上往下依次设置有阴极AL层(10)、阴极P区(22)，N-基区(30)，阳极N缓冲层(42)，阳极高浓度P+区(41)和阳极AL层(50)，在阴极AL层(10)与阴极P区(22)之间设有阴极高浓度N+区(20)和P+区(21)，正向阻断电场在阳极N缓冲层(42)中截止，反向阻断电场穿通过阳极N缓冲层(42)在N-基区(30)中截止，正向阻断电压与反向阻断电压是非对称的。

2.根据权利要求1所述的一种具有强穿通的非对称快速晶闸管，其特征在于：所述阴极高浓度N+区(20)深度为10～20μm。

3.根据权利要求1所述的一种具有强穿通的非对称快速晶闸管，其特征在于：所述P+区(21)深度为10～20μm。

4.根据权利要求1所述的一种具有强穿通的非对称快速晶闸管，其特征在于：所述阴极P区(22)深度为45～140μm。

5.根据权利要求1所述的一种具有强穿通的非对称快速晶闸管，其特征在于：所述N-基区(30)厚度为200～500μm。

6.根据权利要求1所述的一种具有强穿通的非对称快速晶闸管，其特征在于：所述阳极N缓冲层(42)结深为10～30μm。

7.根据权利要求1所述的一种具有强穿通的非对称快速晶闸管，其特征在于：所述阳极高浓度P+区(41)深度为10～20μm。

8.根据权利要求7所述的一种具有强穿通的非对称快速晶闸管，其特征在于：当反向阻断电压为100～500V时，对应的阳极N缓冲层(42)深度为10～20μm；反向阻断电压为500～2000V时，对应的阳极N缓冲层(42)深度为20～30μm。

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