具有隔离阴极结构的集成门极换流晶闸管及其制造方法技术

本发明专利技术提供了一种集成门极换流晶闸管，依次包括p基区、n基区、n+缓冲层、p+发射极，还包括设于p+发射极的阳极、设于p基区上的门极、设于p基区上的n+发射极梳条和设于n+发射极梳条上的阴极，该集成门极换流晶闸管在芯片层面具有区域隔离的阴极结构，进一步具有与之配套的封装和门极驱动电路，抑制安全工作区域边界附近不同阴极区域间的电流汇聚效应，拓展器件的安全工作区域。本发明专利技术还提供一种集成门极换流晶闸管的制备方法。

Integrated gate commutation thyristor with isolated cathode structure and its manufacturing method

The invention provides an integrated gate commutation thyristor, which in turn includes P base area, N base area, n + buffer layer, P + emitter, and also includes an anode arranged on P + emitter, a gate arranged on P base area, an N + emitter comb arranged on P base area and a cathode arranged on N + emitter comb strip. The integrated gate commutation thyristor has a cathode structure of area isolation at the chip level, and further. It has a matching package and gate driving circuit to suppress the current convergence effect between different cathode areas near the boundary of the safe working area and expand the safe working area of the device. The invention also provides a preparation method of an integrated gate commutation thyristor.

【技术实现步骤摘要】
具有隔离阴极结构的集成门极换流晶闸管及其制造方法
本专利技术属于电力半导体器件
，具体涉及一种IGCT(IntergratedGateCommutatedThyristors，集成门极换流晶闸管)器件。
技术介绍
IGCT器件是一种中压变频器开发的用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体开关器件。IGCT器件是在原有GTO器件的基础上，通过引进透明阳极、阳极缓冲区等结构，配合具有低感换流回路的门极驱动，实现关断增益为1的类晶闸管器件。IGCT将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT芯片典型结构如附图1所示，其关断过程可以简单分为三个阶段：在第一阶段，通过控制门极驱动电路中的MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor金属氧化物半导体场效应晶体管)，利用电容在J3结处施加20V反向电压，使J3结耗尽，进而保证阴极电流完全转移至门极处；在第二阶段，由于阴极不流过电流，该侧发射极不再进行电子发射，在阳极电流的作用下，器件J2结形成耗尽层，器件的阳阴极电压不断升高；在第三阶段，阳阴极电压达到母线电压，此时电流在电感的作用下缓慢下降，在电流下降到一定程度后进入拖尾过程，此时J2结处的空间电荷区不再拓展，电流依靠芯片体内载流子的复合过程自然衰减。在器件超出安全工作区域工作时，受到硬关断条件限制及动态雪崩效应的影响，器件的电流会在局部区域出现汇聚，进而导致该区域阴极测J3发射结的正偏，使得阴极发射极重新发射电子，该正反馈过程将进一步促进电流的汇聚，最终该局部区域的热效应会使器件出现击穿失效。因此，有必要专利技术一种具有改进结构的IGCT器件克服上述缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术中存在的缺陷，提供一种能够抑制安全工作区域边界附近不同阴极区域间的电流汇聚效应，拓展器件的安全工作区域的IGCT器件。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供如下技术方案：一种集成门极换流晶闸管，所述集成门极换流晶闸管依次包括p基区、n基区、n+缓冲层、p+发射极，还包括设于p+发射极的阳极、设于p基区上的门极、设于p基区上的n+发射极梳条和设于n+发射极梳条上的阴极，其特征在于，该集成门极换流晶闸管p基区由在其水平方向上分隔为两个或两个以上的p基区子区域组成，各p基区子区域均具有独立的阴极和门极，各区域间门极与阴极相互隔离。进一步地，根据所述的集成门极换流晶闸管，所述相邻的p基区子区域之间在其垂直截面方向上不完全分隔。进一步地，根据所述的集成门极换流晶闸管，所述相邻的p基区子区域之间在其垂直截面方向上完全分隔。进一步地，根据所述的集成门极换流晶闸管，所述p基区在其水平方向上分隔，通过在p基区平面上挖槽实现。进一步地，根据所述的集成门极换流晶闸管，所述p基区在其水平方向上分隔，通过在p基区的掩蔽扩散方式制备而实现。进一步地，根据所述的集成门极换流晶闸管，通过调整封装结构以增加所述各p基区子区域中阴极串联电感，且该电感不在对应门阴极换流回路中，各p基区子区域阴极在通过该换流电感即阴极串联电感后汇聚。其中，所述调整封装结构的具体方式可以为，通过控制弹片、簧片等机械结构尺寸或通过结构设置改变不同阴极电流通流路径，影响部分电流通路的自感或互感。进一步地，根据所述的集成门极换流晶闸管，加装至少一个外部电感，以增加所述各p基区子区域中阴极串联电感，且该电感不在对应门阴极换流回路中，各p基区子区域阴极在通过该换流电感即阴极串联电感后汇聚。其中所述的外部电感，从电气结构上来说，要求在换流回路外侧与汇聚点内测；从机械结构上来说，可以在换流回路连接点(如弹片或簧片等)下侧，阴极汇流板(面)上侧，利用压装等方式接入。进一步地，根据所述的集成门极换流晶闸管，配置门极驱动模块，使针对于不同阴极驱动的电路参数或关断时序有所差别。进一步地，根据所述的集成门极换流晶闸管，所述各p基区子区域的芯片结构为中心对称结构，或p基区子区域的芯片结构与封装结构均是中心对称的。具体地，即包括阴极与临近的门极的单元具有中心对称性，即绕芯片圆心一圈，且每个芯片可以有很多圈。也就是说，这个芯片是圈状中心对称结构。本专利技术还提供一种集成门极换流晶闸管的制造方法，具体包括：提供n基区衬底；在所述n基区双面进行杂质扩散，形成p基区和n+缓冲层；在p基区表面挖至少一个沟槽，将p基区在其水平方向上分隔为两个或两个以上p基区子区域；在各p基区子区域表面形成n+发射极梳条；在n+缓冲层表面形成p+发射极；在各p基区子区域的n+发射极梳条上形成阴极，同时，在各p基区子区域的n+发射极梳条两侧的p基区表面形成与阴极相分隔的门极；在p+发射极表面形成阳极。本专利技术还提供另一种集成门极换流晶闸管的制造方法，具体包括：提供n基区衬底；利用掩蔽扩散方法在n基区的一面形成两个或两个以上p基区子区域；在所述n基区另一面进行杂质扩散，形成n+缓冲层；在各p基区子区域表面形成n+发射极梳条；在n+缓冲层表面形成p+发射极；在各p基区子区域的n+发射极梳条上形成阴极，同时，在各p基区子区域的n+发射极梳条两侧的p基区表面形成与阴极相分隔的门极；在p+发射极表面形成阳极。本专利技术在芯片层面加入区域隔离的阴极结构，进一步还可具有与之配套的封装和门极驱动电路，该器件结构与单纯多芯片并联结构相区别，该结构中各阴极区域具有相同的阳极接触，且共用整片硅晶圆，载流子在体内可以自由横向流动；各阴极区域的串联电抗具有合理的比例，保证器件在开通及导通过程中的电流分配相对均匀，抑制安全工作区域边界附近不同阴极区域间的电流汇聚效应，拓展器件的安全工作区域。应理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述两者都是示例性的，并且意图在于提供要求保护的技术的进一步说明。附图说明通过结合附图对本专利技术实施例进行更详细的描述，本专利技术的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。除非明确指出，否则附图不应视为按比例绘制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同组件或步骤。在附图中：图1是示出现有技术中IGCT器件的结构示意图；图2是示出根据本专利技术一种具体实施方式的具有隔离阴极结构的IGCT单元横向截面示意图；图3是示出根据本专利技术另一种具体实施方式的具有隔离阴极结构的IGCT单元横向截面示意图；图4是示出根据本专利技术一种具体实施方式的加装管壳及门极驱动后IGCT关断过程等效电路拓扑示意图。具体实施方式为了使得本专利技术的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本专利技术的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是本专利技术的全部实施例，应理解，本专利技术不受这里描述的示例实施例的限制。基于本文所描述的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本专利技术的保护范围之内。在本说明书和附图中，将采用相同的附图标记表示大体上相同的元素和功能，且将省略对这些元素和功能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成门极换流晶闸管，所述集成门极换流晶闸管依次包括p基区、n基区、n+缓冲层、p+发射极，还包括设于p+发射极的阳极、设于p基区上的门极、设于p基区上的n+发射极梳条和设于n+发射极梳条上的阴极，其特征在于，该集成门极换流晶闸管p基区由在其水平方向上分隔为两个或两个以上的p基区子区域组成，各p基区子区域均具有独立的阴极和门极，各区域间门极与阴极相互隔离。

【技术特征摘要】
1.一种集成门极换流晶闸管，所述集成门极换流晶闸管依次包括p基区、n基区、n+缓冲层、p+发射极，还包括设于p+发射极的阳极、设于p基区上的门极、设于p基区上的n+发射极梳条和设于n+发射极梳条上的阴极，其特征在于，该集成门极换流晶闸管p基区由在其水平方向上分隔为两个或两个以上的p基区子区域组成，各p基区子区域均具有独立的阴极和门极，各区域间门极与阴极相互隔离。2.根据权利要求1所述的集成门极换流晶闸管，其特征在于，所述相邻的p基区子区域之间在其垂直截面方向上不完全分隔或完全分隔。3.根据权利要求1或2所述的集成门极换流晶闸管，其特征在于，所述p基区在其水平方向上分隔，通过在p基区平面上挖槽实现。4.根据权利要求1或2所述的集成门极换流晶闸管，其特征在于，所述p基区在其水平方向上分隔，通过在p基区的掩蔽扩散方式制备而实现。5.根据权利要求1或2所述的集成门极换流晶闸管，其特征在于，通过调整封装结构增加所述各p基区子区域中阴极串联电感，且该电感不在对应门阴极换流回路中，各p基区子区域阴极在通过该换流电感后汇聚。6.根据权利要求1或2所述的集成门极换流晶闸管，其特征在于，加装至少一个外部电感，以增加所述各p基区子区域中阴极串联电感，且该电感不在对应门阴极换流回路中，各p基区子区域阴极在通过该换流电感...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾嵘，刘佳鹏，周文鹏，赵彪，余占清，陈政宇，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11