高压双向晶闸管制造技术

本实用新型专利技术的名称为高压双向晶闸管及其制造方法。属于功率半导体器件技术领域。它主要是解决现有高压晶闸管反并联后串联，结构件较多、复杂等缺点。它的主要特征是：所述半导体芯片为四端P+N+PP‑N‑P‑PN+P+九层结构，四个端子分别为T1极、上部门极、T2极和下部门极，为2个晶闸管反并联；中心门极为PNP型结构对反并联晶闸管进行隔离；晶闸管器件正向、反向阻断电压可达到6500V以上，通过控制信号可控制双压晶闸管正向、反向导通；反并联晶闸管间设有低掺杂浓度的隔离层，减小反并联晶闸管的相互影响。具有能明显提高双向晶闸管器件的耐压，又简单、易用、工艺简化特点，简化结构并提高工作可靠性。主要应用于交流电机控制、高压防爆软启动器装置。

High voltage bidirectional thyristor

The utility model is a high-voltage bidirectional thyristor and a manufacturing method thereof. It belongs to the field of power semiconductor device technology. It is mainly to solve the existing high-voltage thyristor anti parallel in series, the structure is more complex and other shortcomings. Its main feature is that the semiconductor chip is the four end P+N+PP N P PN+P+ nine layer structure, four terminals are T1 pole, the upper gate pole, the T2 pole and the lower gate pole, and the reverse parallel connection of the thyristor; the central gate is extremely PNP structure to isolate the anti parallel thyristor; the thyristor devices have forward and reverse blocking voltages. To 6500V, the dual voltage thyristor can be controlled forward and backward through the control signal, and the anti parallel thyristor has a low doping concentration layer to reduce the mutual influence of the anti parallel thyristor. It can obviously improve the withstand voltage of bi-directional thyristor devices, and is simple, easy to use, simplified process features, simplified structure and improved reliability. It is mainly used in AC motor control and high voltage explosion-proof soft starter device.

【技术实现步骤摘要】
高压双向晶闸管
本技术属于功率半导体器件
具体涉及一种高压6500V以上半导体双向开关器件，主要应用于高压交流电机控制、高压防爆软启动器装置。
技术介绍
目前，高压交流电机控制、高压防爆软启动器所用半导体器件为高压晶闸管，由反并联的高压晶闸管串联组成阀组，接收控制单元发出的触发信号控制交流输出，其典型阀组如图6所示，增加了装置的复杂性。而更简化、稳定的方案是把反联的高压晶闸管集成于单只器件（BCT），阀组更简化、控制更便捷，典型电路如图7所示，充分利用散热器等配件，减少外围阻容吸收电路及空间占用。常规低压双向晶闸管是一种N+PNPN+五层三端中心门极结构器件，与普通晶闸管不同的是，低压双向晶闸管有四个pn结，采用结型门极结构，门极接触下面不仅有p型层，同时还有n型层，门极的极性可正可负，以便开通两个反并联的晶闸管；它是一种交流元件，其伏安特性是对称的，在第一象限和第三象限都能导通，同时门极可正可负，通常制造方法是在N型硅片两端直接进行P型扩散，形成对称的PNP结构，然后减薄p1区以增加第三象限的触发灵敏度，在阴极端P区右半或左半部分进行N型选择性扩散，最终形成PNPN结构；在阳极端P区左半或右半部分进行N型选择性扩散，形成NPNP结构，往往正反向晶闸管的阻断电压、通态压降存在差异，此种结构双向晶闸管器件常规阻断电压在600V～1800V，按此工艺已无法实现更高耐压且动态特性恶化，已不具备可行性。传统工艺，已不具备2500V以上双向晶闸管器件实用性。
技术实现思路
本技术的目的就是针对上述不足，提供一种可应用于2500V以上的高压双向晶闸管器件（BCT），即高压双向晶闸管及其制造方法。能明显提高器件的耐压，即保持原设计晶闸管的反并联特性，又简单、易用、工艺简化特点，从而改善器件的阻断电压水平和通态能力，简化结构并提高工作可靠性。本技术高压双向晶闸管的技术解决方案是：一种高压双向晶闸管，由管壳下封接件、下门极组件、下垫片、半导体芯片、上垫片、上门极组件和上封接件封装而成，其特征在于：所述半导体芯片为四端P+N+PP-N-P-PN+P+九层结构，包括T1极、上部门极、T2极和下部门极四个端子；所述的半导体芯片的左半部分，从下至上依次为P+N+PP-N-P-PP+八层结构，下部为晶闸管阴极，上部为晶闸管阳极；半导体芯片的右半部分，从下至上依次为P+PP-N-P-PN+P+八层结构，下部为晶闸管阳极、上部为晶闸管阴极；半导体芯片的左右整体形成晶闸管的反并联结构；上部门极、下部门极的中心门极形成PNP型结构，对反并联晶闸管进行隔离；所述的半导体芯片左半部分的单晶闸管P+N+PP-N-P-PP+结构分别为阳极发射极P+层、阳极高浓度P1层、阳极低浓度P1-层、基区N1、阴极低浓度P2-层、阴极高浓度P2层、阴极集电极N+层和阴极短路P+层；所述的上部门极与上部阳极或下部门极与下部阳极间设有低掺杂浓度的隔离层，减小正反并联晶闸管开通、关断的干扰和影响；所述的阴极高浓度P2层表面设有阴极集电极N+层、上部门极的中心门极P+层、放大门极P+区、阴极短路区P+层。本技术高压双向晶闸管的技术解决方案中所述的半导体芯片的左半部分与右半部分以垂直中心线为界；半导体芯片的右半部分结构，以左半部分晶闸管结构围绕芯片中心点O旋转180°，形成晶闸管的反并联结构，垂直中心线两侧为PNP型结构中心门极区域，并对反并联晶闸管进行隔离；所述的阳极高浓度P1层和阴极高浓度P2层的杂质浓度分布沿径向变化，在结终端区为低浓度杂质。本技术高压双向晶闸管的技术解决方案中所述的阳极发射极P+层、阴极短路区P+层表面杂质浓度为0.8～4.5×1020/cm3，结深为8～16μm或16～22μm；阳极高浓度P1层、阴极高浓度P2层表面杂质浓度为0.5～1.2×1018/cm3，结深为32～45μm或45～60μm；阳极低浓度P1-层、阴极低浓度P2-层表面杂质浓度为0.3～3.0×1016/cm3，结深为90～120μm或120～145μm；阴极集电极N+层表面杂质浓度为0.9～6.5×1020/cm3或4.0～9.0×1019/cm3，结深为10～16μm或16～25μm。本技术高压双向晶闸管的技术解决方案中所述的低掺杂浓度的隔离层的宽度为基区N1厚度的2.2～3.0倍。本技术高压双向晶闸管的技术解决方案中所述的半导体芯片和下垫片低温焊接后，与上垫片装配而成。本技术高压双向晶闸管的技术解决方案中所述的下垫片、上垫片材料为钼、银、铜、或其任2种组合，表面镀钌、镀铑或不镀层。本技术高压双向晶闸管的技术解决方案中所述的半导体芯片台面为双负角台面造型或双正角台面造型结构，正斜角时角度大小为30º～80º，负斜角时角度大小为1.2º～4.5º和20º～45º。本技术高压双向晶闸管的技术解决方案中所述的半导体芯片表面蒸镀金属导电层，导电层厚度为8～15或15～30μm，芯片双面导电层选择性刻蚀，形成上部门极的中心门极、下部门极的中心门极、上部放大门极、下部放大门极、上部阴极、下部阴极、上部阳极和下部阳极，同面阳极和阴极金属导电层厚度一致且相连，比中心门极、放大门极金属导电层厚≥10μm。通过高压双向晶闸管实施方式所描述的技术方案，可达到以下技术效果：1、采用单只BCT器件，集成了两个反并联的晶闸管，元件数可比采用晶闸管反并联减少50%，可充分发挥散热器的能力，具有装置紧凑、体积小、重量减轻的特点。同时两个晶闸管反并联组合在一起，减少了接线电感，简化了阻容吸收电路；2、采用压接结构，提高了正反向电压阻断能力，阳极同时作为阴极的短路结构，降低了正向a2，提高了器件电压阻断的可靠性，本技术结构的晶闸管正反向阻断电压可达到6500V以上；3、在器件T1极对T2极间加上正向电压时，门极G1和T1极之间施加较小的触发电流（通常50mA~1000mA），A1区晶闸管开通，A2区晶闸管阻断；在器件T2极对T1极间加上正向电压时，门极G2和T2极之间施加较小的触发电流，A2区晶闸管开通，A1区晶闸管阻断；通过控制G和T之间信号，可控制双压晶闸管正反向导通。本技术集成两个反并联高压晶闸管，利用压接封装技术，降低了器件压降，提高器件间参数的均匀性和一致性，提高了高压器件串联的一致性。本技术主要应用于交流电机控制、高压防爆软启动器电源等装置。附图说明为了更清楚说明本技术技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍。显然，下面描述的附图仅仅是本技术一些实施例。图1是本技术产品结构示意图。图2是本技术芯片纵向结构和双负角台面造型示意图。图3是本技术结终端低掺杂芯片纵向结构和双负角台面造型示意图。图4是本技术芯片双正角台面造型示意图。图5是本技术结终端低掺杂芯片双正角台面造型示意图。图6是原方案产品阀体结构示意图。图7是本技术产品阀体结构示意图。图8是低压双向晶闸管芯片纵向结构示意图。图中：1.管壳下封接件；2.下垫片；3.注胶环；4.半导体芯片；5.上垫片；6.上封接件；7.上门极组件；7.下门极组件；T1.T1极；T2.T2极，G1.上部门极；G2.下部门极；A1-下部阳极，K1-上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高压双向晶闸管，由管壳下封接件（1）、下门极组件（7）、下垫片（2）、半导体芯片（4）、上垫片（5）、上门极组件（7）和上封接件（6）封装而成，其特征在于：所述半导体芯片（4）为四端P+N+PP‑N‑P‑PN+P+九层结构，包括T1极、上部门极（G1）、T2极和下部门极（G2）四个端子；所述的半导体芯片（4）的左半部分，从下至上依次为P+N+PP‑N‑P‑PP+八层结构，下部为晶闸管阴极，上部为晶闸管阳极；半导体芯片（4）的右半部分，从下至上依次为P+PP‑N‑P‑P N+P+八层结构，下部为晶闸管阳极、上部为晶闸管阴极；半导体芯片（4）的左右整体形成晶闸管的反并联结构；上部门极（G1）、下部门极（G2）的中心门极形成PNP型结构，对反并联晶闸管进行隔离；所述的半导体芯片（4）左半部分的单晶闸管P+N+PP‑N‑P‑PP+结构分别为阳极发射极P+层（41）、阳极高浓度P1层（42）、阳极低浓度P1‑层（43）、基区N1（44）、阴极低浓度P2‑层（45）、阴极高浓度P2层（46）、阴极集电极N+层（47）和阴极短路区P+层（49）；所述的上部门极（G1）与上部阳极（A2）或下部门极（G2）与下部阳极（G1）间设有低掺杂浓度的隔离层（50），减小正反并联晶闸管开通、关断的干扰和影响；所述的阴极高浓度P2层（46）表面设有阴极集电极N+层（47）、上部门极（G1）的中心门极P+层、放大门极P+区（48）、阴极短路区P+层（49）。...

【技术特征摘要】
1.一种高压双向晶闸管，由管壳下封接件（1）、下门极组件（7）、下垫片（2）、半导体芯片（4）、上垫片（5）、上门极组件（7）和上封接件（6）封装而成，其特征在于：所述半导体芯片（4）为四端P+N+PP-N-P-PN+P+九层结构，包括T1极、上部门极（G1）、T2极和下部门极（G2）四个端子；所述的半导体芯片（4）的左半部分，从下至上依次为P+N+PP-N-P-PP+八层结构，下部为晶闸管阴极，上部为晶闸管阳极；半导体芯片（4）的右半部分，从下至上依次为P+PP-N-P-PN+P+八层结构，下部为晶闸管阳极、上部为晶闸管阴极；半导体芯片（4）的左右整体形成晶闸管的反并联结构；上部门极（G1）、下部门极（G2）的中心门极形成PNP型结构，对反并联晶闸管进行隔离；所述的半导体芯片（4）左半部分的单晶闸管P+N+PP-N-P-PP+结构分别为阳极发射极P+层（41）、阳极高浓度P1层（42）、阳极低浓度P1-层（43）、基区N1（44）、阴极低浓度P2-层（45）、阴极高浓度P2层（46）、阴极集电极N+层（47）和阴极短路区P+层（49）；所述的上部门极（G1）与上部阳极（A2）或下部门极（G2）与下部阳极（G1）间设有低掺杂浓度的隔离层（50），减小正反并联晶闸管开通、关断的干扰和影响；所述的阴极高浓度P2层（46）表面设有阴极集电极N+层（47）、上部门极（G1）的中心门极P+层、放大门极P+区（48）、阴极短路区P+层（49）。2.根据权利要求1所述的高压双向晶闸管，其特征在于：所述的半导体芯片（4）的左半部分与右半部分以垂直中心线（12）为界；半导体芯片（4）的右半部分结构，以左半部分晶闸管结构围绕芯片中心点O旋转180°，形成晶闸管的反并联结构，垂直中心线（12）两侧为PNP型结构中心门极区域，并对反并联晶闸管进行隔离；所述的阳极高浓度P1层（42）和阴极高浓度P2层（46）的杂质浓度分布沿径向变化，在结终端区（51）为低浓度杂...

【专利技术属性】
技术研发人员：张桥，刘小俐，颜家圣，刘鹏，肖彦，黄智，李娴，任丽，
申请(专利权)人：湖北台基半导体股份有限公司，
类型：新型
国别省市：湖北,42