RU92242U1

RU92242U1 - POWERFUL HIGH VOLTAGE BIPOLAR TRANSISTOR WITH ISOLATED SHUTTER WITH ANTI-PARALLEL FAST TEMPERATURE-RESISTANT DIODE

Info

Publication number: RU92242U1
Application number: RU2009133142/22U
Authority: RU
Inventors: Виктор Евгеньевич Войтович; Александр Иванович Гордеев; Анатолий Николаевич Думаневич; Павел Романович Машевич; Татьяна Борисовна Крицкая; Алексей Николаевич Алферов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Интелсоб" (ООО "Интелсоб")
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2010-03-10

Abstract

1. Мощный высоковольтный биполярный транзистор с изолированным затвором с интегрированным в одном корпусе или кристаллодержателе антипараллельно включенным коллектор-эмиттер быстродействующим диодом, содержащим корпус или кристаллодержатель, кристалл биполярного транзистора с изолированным затвором, кристалл обратновключенного быстродействующего высоковольтного диода, электрические межсоединения, отличающийся тем, что взамен кристалла высоковольтного карбид-кремниевого диода Шоттки используется кристалл быстровосстанавливающегося высоковольтного арсенид-галлиевого p-i-n диода. ! 2. Мощный высоковольтный биполярный транзистор с изолированным затвором с интегрированным в одном корпусе или кристаллодержателе антипараллельно включенным коллектор-эмиттер быстродействующим диодом по п.1, отличающийся тем, что кристалл используемого быстровосстанавливающегося высоковольтного арсенид-галлиевого p-i-n диода может иметь отрицательный или положительный коэффициент зависимости прямой вольт-амперной характеристики от температуры.1. Powerful high-voltage insulated-gate bipolar transistor with a collector-emitter antiparallel integrated in a single housing or crystal holder by a fast-acting diode containing a housing or crystal holder, an insulated-gate bipolar transistor crystal, a reverse-connected high-speed high-voltage diode crystal, which is characterized by electrical interconnection, which crystal high-voltage silicon carbide Schottky diode crystal is used high voltage gallium arsenide p-i-n diode. ! 2. Powerful high-voltage insulated-gate bipolar transistor with a collector-emitter integrated in one housing or crystal holder by an anti-parallel emitter with a high-speed diode according to claim 1, characterized in that the crystal of the high-voltage gallium arsenide pin diode used can have a negative or positive coefficient of dependence of the direct volt - Ampere characteristics from temperature.

Description

Полезная модель представляет собой мощный высоковольтный биполярный транзистор с изолированным затвором с интегрированным в одном корпусе или кристаллодержателе антипараллельным быстродействующим высоковольтным диодом для применения в мощной преобразовательной технике в радиоэлектронной, электротехнической и др. отраслях промышленности.The utility model is a powerful high-voltage bipolar transistor with an insulated gate with an integrated antiparallel high-speed high-voltage diode integrated in a single housing or crystal holder for use in powerful converting technology in radio-electronic, electrical and other industries.

Конструкция современных мощных биполярных высоковольтных транзисторов с изолированным затвором (далее IGBT) выполнена, как правило, в мощных металлостеклянных, металлокерамических корпусах как дискретного, так и модульного типа с использованием в качестве кристаллодержателей металлы на основе медных сплавов, а также комбинированные кристаллодержатели из медного сплава и керамики.The design of modern high-power bipolar high-voltage insulated-gate transistors (hereinafter referred to as IGBTs) is performed, as a rule, in high-power metal-glass, ceramic-metal cases of both discrete and modular types using metal alloys based on copper alloys as well as combined crystal holders made of copper alloy and ceramics.

В связи с возрастанием коммутационной плотности выделяемой энергии на единицу площади в качестве изолирующей теплопроводящей керамики все чаще используются нитрид-алюминиевая, оксид-бериллиевая и др. керамики, превосходящие по теплопроводности оксид-алюминиевую керамику в несколько раз.Due to the increase in the switching density of the released energy per unit area, nitride-aluminum, beryllium oxide, and other ceramics are more and more often used as insulating heat-conducting ceramics, several times superior in thermal conductivity to aluminum-oxide ceramics.

Современные IGBT кристаллы выполняются по так называемой NPT FS «Trench» («Тренч») технологии (NPT FS «Trench» IGBT), которая выполняется на монокристаллическом высокоомном бездефектном кремнии.Modern IGBT crystals are made according to the so-called NPT FS “Trench” (“Trench”) technology (NPT FS “Trench” IGBT), which is performed on single-crystal, high-resistance, defect-free silicon.

В качестве исходных кремниевых подложек используются высокоомные монокристаллические пластины с уровнем легирования донорной примеси от 10¹⁴ см^-3 и ниже. Методом фотолитографии создаются локальные ячейки в маскирующих слоях оксида кремния на поверхности, чаще всего, гексагонального типа, имеющие линейные размеры несколько микрон. В эти локальные ячейки проводится последовательно локальная диффузия акцепторной примеси. Создаются неглубоко залегающие p⁺-области в центре ячейки и менее легированные р-области по периферии ячейки. Затем создаются локальные n⁺-области эмиттера, щелевым методом вытравливаются вертикальные канавки по периметру ячейки, на стенках которых создаются МОП-затворные области. Методом подзатворного окисления, осаждения системы высоколегированный поликремний - металл создаются на стенках вертикальных канавок затворные металл-окисел-полупроводник области. Между «Trench»-канавками ниже глубины залегания p⁺ предварительной имплантацией донорной примеси создаются локальные участки более легированного n - слоя. С обратной стороны подложки создается так называемая буферная n-зона на глубины от нескольких единиц микрон и так называемый «прозрачный» высоколегированный очень тонкий p⁺ - эмиттер - инжекционная область неосновных носителей заряда в высокоомную область коллектора IGBT структур. Для устранения затягивающих «хвостов» фронтов импульса выключения на IGBT структуре применяют радиационные методы для обработки высокоомного n^- - слоя коллектора IGBT структуры потоками электронов, протонов, α-частиц с энергией 3-7 МэВ и плотностью частиц от 10¹⁰ см^-2.As the initial silicon substrates, high-resistance single-crystal wafers with a doping level of the donor impurity from 10 ¹⁴ cm ^-3 and below are used. Using photolithography, local cells are created in masking layers of silicon oxide on the surface, most often of the hexagonal type, with linear dimensions of several microns. Local diffusion of the acceptor impurity is carried out sequentially into these local cells. Shallow-lying p ⁺ regions are created in the center of the cell and less doped p-regions along the cell periphery. Then, local n ⁺ regions of the emitter are created, vertical grooves along the cell perimeter are etched using the slot method, on the walls of which MOS gate regions are created. By the method of gate oxidation, deposition of a high-alloy polysilicon - metal system, gate metal-oxide-semiconductor regions are created on the walls of vertical grooves. Between the "Trench" grooves below the depth of p ^+, preliminary implantation of a donor impurity creates local sections of a more doped n - layer. On the reverse side of the substrate, a so-called buffer n-zone is created to a depth of several microns and the so-called “transparent” highly doped very thin p ⁺ emitter is the injection region of minority charge carriers into the high-resistance region of the collector of IGBT structures. To eliminate the trailing “tails” of the turn-off pulse fronts on the IGBT structure, radiation methods are used to process the high-resistance n ^- layer collector of the IGBT structure by flows of electrons, protons, α particles with an energy of 3-7 MeV and a particle density of 10 ¹⁰ cm ^-2 .

Включается IGBT структура при подаче на затвор положительного потенциала, чаще всего, от +10 В и выше, значительно превышающего пороговое напряжение при котором начинается инвертирование проводимости в подзатворной р-области с созданием инверсного n-типа канала. Прямое смещение на «прозрачном» p⁺ - эмиттере с коллекторной стороны кристалла спосбствует инжектированию неосновных носителей (положительно заряженных) в высокоомную коллекторную зону. Происходит модуляция проводимости высокоомного n^- - слоя и резкое увеличение его проводимости. От инжекционных характеристик p⁺ - прозрачного эмиттера, условий создания «Trench» - инверсного канала, толщины высокоомного n^- - слоя, его уровня легирования в значительной степени зависит одна из важнейших характеристик IGBTтранзистора - остаточное прямое напряжение во включенном состоянии. Чаще всего оно не опускается ниже значений 2-2,5 В при номинальных прямых рабочих токов эмиттер-коллектор. Выключение IGBT структуры происходит либо при снятии затворного положительного напряжения, либо подачей ускорительного обратного напряжения (чаще всего -10, -15 В) на затвор. IGBT структура переходит из состояния открытого ключа в закрытое, происходит перезарядка входных, переходных, выходных емкостей, рассасывание заряда и его обнуление в высокоомной области коллектора. При достижении на коллекторе высоких значений напряжения, а при реактивной индуктивной нагрузке значительно превышающей напряжение питания IGBT прибора за счет эффекта Кирка происходит спонтанная инжекция электронов с эмиттерной n⁺ - области. Происходит лавинизация тока через IGBT структуру, и транзистор ведет себя как неуправляемый тиристор, со спонтанным включением (эффект тиристорного «защелкивания»). Переключающие управляемые свойства IGBT структур теряются. Кроме этого, при разрядке запасенной энергии на индуктивной нагрузке меняется полярность напряжения и включается паразитный р-n-р транзистор. В связи со спонтанным включением при высоких напряжениях IGBT структура разрушается. Для устранения данного эффекта применяется обратновключенный блокирующий антипараллельный быстровосстанавливающийся защитный диод (СБВД), который защищает структуру от бросков напряжений обратной и прямой полярности.The IGBT structure is turned on when a positive potential is applied to the gate, most often from +10 V and higher, significantly exceeding the threshold voltage at which the inversion of conductivity in the gate p-region begins with the creation of an inverse n-type channel. Direct bias on a “transparent” p ⁺ emitter from the collector side of the crystal facilitates the injection of minority carriers (positively charged) into the high-resistance collector zone. Modulation of the conductivity of the high-resistance n ^- - layer and a sharp increase in its conductivity occur. From the injection characteristics of p ⁺ - transparent emitter, creating conditions «Trench» - inverse channel, the thickness of high-resistance n ^{- -} layer, its doping level is largely dependent on one of the major characteristics IGBTtranzistora - residual direct voltage in an ON state. Most often, it does not fall below 2-2.5 V at rated direct operating currents of the emitter-collector. The IGBT structure is turned off either when the gate positive voltage is removed, or by applying accelerating reverse voltage (most often -10, -15 V) to the gate. The IGBT structure passes from the state of the public key to the private one; the input, transition, and output capacitors are recharged, the charge is absorbed, and the charge is zeroed in the high-resistance collector region. When the collector reaches high voltage values, and with a reactive inductive load significantly higher than the supply voltage IGBT of the device due to the Kirk effect, spontaneous injection of electrons from the emitter n ⁺ region occurs. Current lavinization occurs through the IGBT structure, and the transistor behaves like an uncontrolled thyristor, with spontaneous switching on (the effect of thyristor “latching”). The switching managed properties of IGBT structures are lost. In addition, when the stored energy is discharged at an inductive load, the polarity of the voltage changes and the parasitic pnp transistor is turned on. Due to spontaneous switching on at high voltages, the IGBT structure is destroyed. To eliminate this effect, a reverse-switched blocking antiparallel fast-recovery protective diode (SBVD) is used, which protects the structure from surges of reverse and direct polarity.

В качестве антипараллельных диодов чаще всего используют высоковольтные кремниевые диоды, но они имеют ряд недостатков. Относительно невысокое быстродействие, слабую устойчивость к скорости нарастания тока dI/dt, технологические сложности, связанные с радиационными методами обработки готовых структур, низкие рабочие температуры.High-voltage silicon diodes are most often used as antiparallel diodes, but they have several disadvantages. Relatively low speed, poor resistance to current rise rate dI / dt, technological difficulties associated with radiation methods for processing finished structures, low operating temperatures.

Для повышения КПД переключения бинарного ключа из IGBT-СБВД диода, снижения потерь при переключении в последнее время применяют карбид-кремниевые диоды Шоттки, но они при очень высоком быстродействии имеют и определенные недостатки, вследствие того что величина размеров кристаллов современных IGBT структур достигает 225-300 мм² на токи до 150 А и выше при напряжениях 1200 В, в то время как лучшие достижения на кристалл карбид-кремниевого диода достигают 75 А при значительных прямых напряжениях, с возрастанием при повышенной температуре в 1,5-2 раза. Кроме этого, до конца не изучена деградация барьерного контакта Шоттки карбид-креамниевых диодов.To increase the switching efficiency of a binary key from an IGBT-SBBD diode and reduce switching losses, Schottky silicon carbide diodes have recently been used, but they have certain drawbacks at very high speed, due to the size of crystals in modern IGBT structures reaching 225-300 ² mm for currents up to 150 a at voltages above 1200 V, whereas the best achievements in crystal-silicon carbide diode reach 75 a at significant direct voltages with increased at elevated temperature in 1.5-2. In addition, the degradation of the Schottky barrier contact of carbamide-cremnium diodes has not been fully studied.

Основной технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение надежности IGBT приборов, улучшение их динамики переключения, повышение температурной стойкости, повышение устойчивости при режимах жесткого резонансного переключения, снижение суммарных энергетических потерь при переключении.The main technical task of the proposed utility model is to increase the reliability of IGBT devices, improve their switching dynamics, increase temperature resistance, increase stability under hard resonant switching modes, and reduce the total energy loss during switching.

Данная задача достигается тем, что вместо карбид-кремниевого диода Шоттки используется ультрабыстрый высокотемпературный арсенид-галлиевый p-i-n диод. Арсенид-галлиевые p-i-n диоды имеют высокую рабочую температуру р-n перехода, достигающую значений до 300°С, при рабочих температурах металлокерамического корпуса до 250°С, а металлопластмассового - до 200°С. Арсенид-галлиевый p-i-n диоды обладают исключительными динамическими свойствами, время обратного восстановления накопленного заряда t_rrдостигает значений 30-50 нсек при напряжениях до 1200 В, и что исключительно важно в диапазоне рабочих температур вплоть до предельных динамических характеристик остаются не меняющимися.This task is achieved by the fact that instead of a silicon carbide-Schottky diode, an ultrafast high-temperature gallium arsenide-pin diode is used. Gallium arsenide pin diodes have a high operating temperature of the pn junction, reaching values up to 300 ° C, at operating temperatures of the metal-ceramic case up to 250 ° C, and metal-plastic - up to 200 ° C. Gallium arsenide pin diodes have exceptional dynamic properties, the reverse recovery time of the accumulated charge t _rr reaches 30-50 nsec at voltages up to 1200 V, and that is extremely important in the operating temperature range up to the limiting dynamic characteristics remain unchanged.

На фиг.1 показан мощный высоковольтный IGBT транзистор с интегрированным в одном корпусе или на кристаллоносителе внешнем антипраллельновключенным арсенид-галлиевым p-i-n диодом., который состоит из кристалла 1 IGBT транзистора, внешнего антипараллельновключенного коллектор-эмиттер кристалла 2 быстровосстанавливающегося арсенид-галлиевого p-i-n диода; керамического кристаллодержателя 3, металлического фланца корпуса 4 электрических выводов эмиттера 5, изолированного затвора 6; коллектора 7; электрических межсоединений 8.Figure 1 shows a high-power high-voltage IGBT transistor with an external antiparallel gallium arsenide p-i-n diode integrated in a single housing or on a crystal carrier. It consists of a 1 IGBT crystal transistor, an external antiparallel collector-emitter of a crystal 2 of an i-arsenide diode; a ceramic crystal holder 3, a metal flange of the housing 4 of the electrical terminals of the emitter 5, an insulated shutter 6; collector 7; electrical interconnects 8.

На фиг.2 представлена эквивалентная электрическая схема мощного высоковольтного биполярного транзистора с изолированным затвором с внешним антипараллельным коллектор-эмиттер диодом.Figure 2 presents the equivalent circuit diagram of a high-voltage high-voltage bipolar transistor with an insulated gate with an external antiparallel collector-emitter diode.

Металлические детали кристаллодержателя и микросборки 4,5,6,7 изготавливаются методом штамповки, изолирующая теплопроводная керамика 3 изготавливается из шихты материалов с химическим составом Beo, AlN, Аl₂O₃ и др. методом горячего прессования, литья с последующим нанесением, вжиганием, химосаждением металлизации.The metal parts of the crystal holder and microassemblies 4,5,6,7 are made by stamping, insulating heat-conducting ceramic 3 is made of a mixture of materials with the chemical composition Beo, AlN, Al ₂ O ₃ and others by hot pressing, casting, followed by application, burning, chemical deposition metallization.

Кристалл 1 IGBT прибора изготавливается по описанному выше технологическому маршруту с применением фотолитографии, ионной имплантации, термообработок, радиационных обработок, нанесением омических металлических контактов к областям эмиттера, коллектора и затвора.The IGBT crystal 1 of the device is manufactured according to the technological route described above using photolithography, ion implantation, heat treatments, radiation treatments, and applying ohmic metal contacts to the emitter, collector, and gate regions.

Кристалл 2 арсенид-галлиевого p-i-n диода изготавливается методом последовательной жидкостной эпитаксии катодных высокоомной и низкоомной областей n-типа на анодных монокристаллических высоколегированных p⁺ - типа подложках арсенида галлия, с созданием металлических контактов к анодной и катодной областями меза-области в периферийной анодно-катодной зоне с последующей защитой выходящего на поверхность р-n перехода.Crystal 2 of the gallium arsenide pin diode is fabricated by sequential liquid epitaxy of the cathode high-resistance and low-resistance n-type regions on anode single-crystal highly doped p ⁺ -type gallium arsenide substrates, with the creation of metal contacts to the anode and cathode regions of the mesa region in the peripheral anode-cathode with subsequent protection of the junction emerging on the surface pn.

Сборка прибора в целом осуществляется методом пайки на кристаллодержатель и сварки выводов и межсоединений.The assembly of the device as a whole is carried out by soldering to a crystal holder and welding leads and interconnects.

Claims

1. Powerful high-voltage insulated-gate bipolar transistor with a collector-emitter antiparallel integrated in a single housing or crystal holder by a fast-acting diode containing a housing or crystal holder, an insulated-gate bipolar transistor crystal, a reverse-connected high-speed high-voltage diode crystal, which is characterized by electrical interconnection, which crystal high-voltage silicon carbide Schottky diode crystal is used high voltage gallium arsenide p-i-n diode.

2. Powerful high-voltage insulated-gate bipolar transistor with a collector-emitter antiparallel integrated in a single housing or crystal holder by a fast-acting diode according to claim 1, characterized in that the crystal of the used fast-recovery high-voltage gallium arsenide-pin diode can have a negative or positive coefficient of dependence of the direct volt - Ampere characteristics from temperature.