一种逆阻型集成门极换流晶闸管制造技术

本实用新型专利技术涉及一种逆阻型集成门极换流晶闸管，包括阴极梳条、阴极电极、门极电极、阳极电极，该逆阻型集成门极换流晶闸管中心对称布满阴极梳条，门极接触区位于器件中心、中间或边缘位置，器件最外圈是终端区。轴向从上到下依次包括：阴极电极、阴极N+掺杂区、门极电极、P基区、N

【技术实现步骤摘要】
一种逆阻型集成门极换流晶闸管


[0001]本技术涉及一种全控型功率半导体开关器件的结构，尤其是涉及一种逆阻型集成门极换流晶闸管的结构。

技术介绍

[0002]电流源型变流器具有拓扑结构简单、短路特性好、满足四象限运行、输入/输出波形质量高等特点，已广泛应用于中压大功率传动和可再生能源系统。电流源型变流器换流需使用逆阻型开关器件。目前市场上实用的中压大功率电流源型变流器开关器件大多采用门极换流晶闸管与二极管串联压接使用。但两个器件串联使用，功耗较大，成本较高。
[0003]目前电力电子器件主要是硅基材料，其制作过程都是在硅单晶为衬底的基础上进行加工制造的。通过对硅单晶进行掺杂，形成具有不同特性的半导体层，从而实现器件功能。掺杂剂主要分为两类：杂质电离时，能够施放电子而产生导电电子，并形成正电中心，称它们为施主杂质或N型杂质，如磷，砷和锑。另一类杂质电离时，能够接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心，称它们为受主杂质或P型杂质，如硼，铝，镓和铟。大功率半导体器件的掺杂剂常用磷、硼、铝和镓。通常在表示杂质类型符号“N”和“P”后添加
“‑”
或“+”表示掺杂的轻重程度。如“N
‑”
表示非常低的N型掺杂；“N”表示轻 N型掺杂；“N+”表示非常重的N型掺杂。同理，“P
‑”
表示非常低的P型掺杂；“P”表示轻P型掺杂；“P+”表示非常重的P型掺杂。
[0004]门极换流晶闸管是一种电力电子器件，典型的工作状态为阻断状态、导通状态及两种状态转换阶段的开通过程和关断过程。其正向能够耐受高电压，正向通过大电流，门极控制门极换流晶闸管开通、关断。电极有阴极，门极和阳极。在电力系统应用中门极换流晶闸管主要作为一种全控型开关器件。而二极管的典型结构为PIN结构，电极有阴极和阳极。二极管典型的工作状态为阻断状态和导通状态。其反向能够耐受高电压，正向通过大电流，只能被动开通和关断。在电力系统中二极管主要用于箝位和续流。

技术实现思路

[0005]本技术的目的是提供一种逆阻型集成门极换流晶闸管，以克服现有电流源型变流器电力电子开关器件串联使用，器件数量多、功耗大、总成本高等缺点，提高系统可靠性。
[0006]为了实现上述技术目的，本技术的技术解决方案是：一种逆阻型集成门极换流晶闸管，整体呈圆饼状，包括阴极梳条、阴极电极、门极电极、阳极电极，所述阴极梳条为圆角矩形且径向呈环状中心对称布满在器件表面，所述阴极梳条顶部设有阴极电极，所述器件表面最外侧一圈为终端区，所述终端区内阴极梳条间隙在器件表面设有门极电极，门极接触区位于器件中心、中间或边缘位置，在门极电极表面附有保护材料，只有门极接触区与门极进行电连接；所述阴极梳条内部为阴极N+掺杂区，器件纵向从上到下依次包括：阴极电极、阴极N+掺杂区、门极电极、P基区、N
‑
衬底区、阳极P+掺杂区和阳极电极，所述阴极电极在阴极N+掺杂区上表面，门极电极在P 基区上表面，阳极电极在阳极P+掺杂区下
表面，所述阴极梳条侧面设有无机保护膜。
[0007]所述阴极电极、门极电极、阳极电极材料均为铝或铝、钛等多金属合金，厚度为10～30um。
[0008]所述阴极N+掺杂区杂质为磷，掺杂浓度为1
×
10
17
～1
×
10
21
cm
‑3，深度为10～30um，阴极N+掺杂区从表面看是一圆角矩形，矩形长2～ 3mm，宽100～300um。
[0009]所述P基区杂质为硼、铝、镓一种或多种组合，掺杂浓度为1
×ꢀ
10
15
～1
×
10
19
cm
‑3，深度为90～130um。
[0010]所述N
‑
衬底区，掺杂浓度为8
×
10
12
～3
×
10
13
cm
‑3，厚度为400～ 1000um。
[0011]所述阳极P+区杂质为硼、铝、镓一种或多种组合，掺杂浓度为掺杂浓度为1
×
10
17
～1
×
10
21
cm
‑3。深度为80～130um。
[0012]所述阴极N+掺杂区高于P基区，且阴极N+掺杂区和门极P基区高度差为10～40um。
[0013]所述门极接触区设在逆阻型集成门极换流晶闸管表面中心，表面中间或表面边缘。
[0014]所述保护材料为聚酰亚胺。
[0015]所述无机保护膜为氧化硅或氮化硅薄膜。
[0016]当逆阻型集成门极换流晶闸管处于正向阻断状态，给RB
‑
IGCT门
ꢀ‑
阴极之间施加正电压，注入适当的电流时，逆阻型集成门极换流晶闸管在极短的时间内从阻断状态转变为导通状态，正向通流。
[0017]当逆阻型集成门极换流晶闸管处于导通状态，给RB
‑
IGCT门
‑
阴极之间施加
‑
20V左右电压，逆阻型集成门极换流晶闸管阴极电流换流至门极，RB
‑
IGCT阳极电流可靠关断，同时恢复阻断能力。
[0018]当逆阻型集成门极换流晶闸管处于导通状态，给RB
‑
IGCT阴
‑
阳极之间施加反向电压，逆阻型集成门极换流晶闸管关断，同时恢复阻断能力。
[0019]本技术优点：
[0020]电流源换流器采用电感器作为直流储能元件，具有天然的短路保护能力，同时比电容器具有更高的可靠性。另外，由于交流侧并联电容的存在，电流源换流器输出电压不会突变，电压波形对电机更加友好，电机侧不需要配备专门的dv/dt滤波器。长期以来，工业界应用的电流源变流器的开关器件采用集成门极换流晶闸管芯片和二极管芯片串联，一同封装在一个管壳中使用。这带来的后果是电流源换流器开关器件数量较多，成本高昂，导致可靠性降低，损耗增大。
[0021]逆阻型集成门极换流晶闸管创造性地将门极换流晶闸管与二极管集成在一个芯片，且器件各项性能优异，器件成本、工作损耗远小于传统串联方式。相比传统应用方式，使换流器开关器件数量减少，功耗降低，总成本下降，同时提高系统可靠性，逆阻型集成门极换流晶闸管正反向能够耐受高电压，正向通过大电流，门极控制器件开通、关断。在逆阻型集成门极换流晶闸管中AS
‑
GCT和二极管串联集成在一起，AS
‑
GCT耐受正向高电压，二极管耐受反向高电压；导通时， AS
‑
GCT和二极管共同通过大电流；开通和关断过程，AS
‑
GCT和二极管共同处于开通和关断状态。
附图说明
[0022]图1为本技术剖面示意图；
[0023]图2为本技术中心门极接触区俯视图；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种逆阻型集成门极换流晶闸管，整体呈圆饼状，其特征在于：包括阴极梳条(1)、阴极电极(4)、门极电极(5)、阳极电极(9)，所述阴极梳条(1)为圆角矩形且纵向呈环状中心对称布满在器件表面，所述阴极梳条(1)顶部设有阴极电极(4)，所述器件表面最外侧一圈为终端区(11)，所述终端区(11)内阴极梳条(1)间隙在器件表面设有门极电极(5)，门极接触区(3)位于器件中心、中间或边缘位置，在门极电极(5)表面设有保护材料(12)，只有门极接触区(3)与门极进行电连接；所述阴极梳条(1)内部为阴极N+掺杂区(2)，器件纵向从上到下依次包括：阴极电极(4)、阴极N+掺杂区(2)、门极电极(5)、P基区(6)、N
‑
衬底区(7)、阳极P+掺杂区(8)和阳极电极(9)，所述阴极电极(4)在阴极N+掺杂区(2)上表面，门极电极(5)在P基区(6)上表面，阳极电极(9)在阳极P+掺杂区(8)下表面，所述阴极梳条(1)侧面设有无机保护膜(10)。2.如权利要求1所述的一种逆阻型集成门极换流晶闸管，其特征在于：所述阴极电极(4)、门极电极(5)、阳极电极(9)材料均为铝或铝、钛多金属合金，厚度为10～30um。3.如权利要求1所述的一种逆阻型集成门极换流晶闸管，其特征在于：所述阴极N+掺杂区(2)杂质为磷，掺杂浓度为1
×
10
17
～1
×
10
21
cm
‑3，深度为10～30um，所述阴极N+掺杂区(2)从表面看是一圆角矩形，矩形长2～3mm，宽100～300um。4.如权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王峰瀛，种晓辉，李翀，张鹏飞，
申请(专利权)人：西安派瑞功率半导体变流技术股份有限公司，
类型：新型
国别省市：