栅控晶闸管制造技术

本发明专利技术涉及一种新原理结构的栅控晶闸管，其特征在于在晶闸管结构的发射区表面或发射区和宽基区表面集成有耗尽型ＭＯＳＦＥＴ，该ＭＯＳ沟道区构成了晶闸管的射结短路，控制器件的关闭。它克服了目前栅控晶闸管所能关闭的电流密度较低、速度较慢、存在寄生结构器件和工作时需要二个相反极性的栅电压控制等缺点。该器件关闭电流密度高、速度快，可靠性强，实现了单一极性电压控制器件工作，广泛适应于电子领域内的功率转换。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及微电子技术和电力电子
，特别是一种新原理结构的栅控晶闸管功率器件。半导体器件经数十年的发展，已逐步形成二大领域，即微电子器件和电力电子器件领域，前者以处理信息的集成电路为发展方向，目前已可在一块半导体芯片上集成上亿个元器件，促进了电子技术的飞速发展；后者则以处理功率为方向，希望其功率容量大，且有高的转换速度，这类功率半导体器件主要以大功率晶体管和晶闸管(Thyristor)为代表。然而这类器件的开启和关闭都是在输入端用电流来控制，由于半导体器件的固有特性，决定了要关闭处于导通状态和开启处于截止状态的这类器件需要较大的驱动电流，如关闭晶闸管输入端约需加四分之一输出电流的反向电流，致使输入功率大，驱动电路变得复杂。微电子技术的发展，微细加工和金属氧化物半导体(MOS)技术的不断成熟，发展了电压控制的功率半导体器件，使得器件可以在极小的输入功率下控制大的功率输出。七十年代末期，国外专利技术了垂直双扩散场效应晶体管(VDMOS)，八十年代初又专利技术了绝缘栅双极晶体管(IGBT)和MOS控制的晶闸管(MCT)，这三类器件当中，前二者技术已基本成熟，后者仍在发展之中，但处理功率的能力以MCT为最大。MCT是金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)与晶闸管的复合结构，其输入端由于电压控制和输出功率大，应用前景广阔，近十余年来是国内外关注及重视的研究领域。该器件是在晶闸管的表面集成了共栅的增强型MOS，当施加正(负)栅压器件窄基区表面形成反型层，沟道电流流入宽基区触发晶闸管导通，施加负(正)栅压其射区表面形成的反型沟道短路晶闸管发射结，窄基区多子流向阴极驱使器件关闭。其可控关断电流的能力取决于该MOS反型沟道的电阻。由于其制造技术与MOS集成电路工艺相容，呈现了极大生命力，目前已有批量商品。此后围绕器件电流关断能力的研究报导了多种新的结构器件，形成了一簇该类器件，代表性的有MOS耗尽型晶闸管(DMT)，发射极关断晶闸管(EST)，基区电阻控制的晶闸管(BRT)以及具有MOS反型层短路射结的EST(ESTD)等结构。它们触发器件导通的MOS结构和原理与MCT结构相同，差别在关闭器件的MOS结构及原理。DMT采用了栅电极垂直深入宽基区的U型槽增强型MOS结构，施加栅压时MOS栅下宽基区耗尽，相邻耗尽层纵向将宽基区夹断迫使器件关闭。其采用非平面工艺增加了难度。EST在器件的射极与阴极间集成了增强型MOS结构，导通时电流经该增强型MOS沟道流入阴极，栅压下降至沟道消失时电流通路切断实现关闭，该MOS的功率限制了器件的工作电流，且结构中存在不受MOS控制的寄生晶闸管，影响了器件关断电流的能力。BRT在宽基区表面集成了增强型MOS结构，依靠该MOS反型沟道将窄基区多子驱向阴极，控制关闭，其实质与MCT的射结短路相似。关断电流的能力受限于MOS反型沟道的电阻。ESTD可看作是EST与BRT的复合结构，其保留了EST切断电流的MOS结构，增加了与BRT相同功能的增强型MOS结构，提高了电流关断力，同时也保留了它们的不足。目前MOS控制的晶闸管类功率器件的研究和发展重点仍在MOS结构对器件电流的可控关断能力，即可控制关断的电流密度、关断速度和关断的可靠性等。另外，上述各结构器件除EST外都是采用极性相反的二个电压分别控制其开启和关闭，而EST又存在固有的不足。本专利技术的目的在于提出一种新原理结构的该类器件，其关断电流的能力优越，而控制开启和关闭只需一单极性电压，即输入端施加电压信号器件导通，电压信号降至某一阈值或零，器件则自行关闭。本专利技术的基本方案是在器件中晶闸管的表面设计了共栅的增强型MOS结构和耗尽型MOS结构。增强型MOS集成于晶闸管窄基区的表面，该MOS控制器件的导通。耗尽型MOS集成在晶闸管发射区，该MOS的沟道形成了晶闸管的射结本征短路结构，控制器件的关断。该结构器件工作原理可简述为当施加某一极性电压于MOS栅极时，耗尽型MOS的沟道夹断，晶闸管射结短路消失，器件呈现为晶闸管结构，而增强型MOS形成反型沟道，沟道电流驱使晶闸管开启。当电压下降到低于某一阈值或零，增强型MOS沟道消失，失去驱动晶闸管导通的条件，而耗尽型MOS沟通恢复，晶闸管呈现射结被该沟道短路的本征结构，驱使晶闸管关闭。关闭电流的能力取决于短路器件射结的耗尽型MOS沟道电阻。为进一步提高器件关断电流的能力，在晶闸管的宽基区表面同时集成耗尽型MOS结构，其沟道同样形成了晶闸管的射结本征短路，有效减小了射结短路电阻。由于本结构器件关断电流的能力取决于射结的短路电阻，即耗尽型MOS沟道的电阻，合理的设计其沟道电阻小于增强型MOS的反型沟道电阻，因此，关闭电流密度高，速度快，且由于晶闸管射结短路为耗尽型MOS沟道所形成，关闭电流的可靠性强，并实现了单一极性电压控制器件的工作。以下结合附图和实施例对本专利技术器件作进一步的描述。附图说明图1为本专利技术器件的第一种实施例的单元胞纵向剖面结构示意图。图2为本专利技术器件的第二种实施例单元胞纵向剖面结构示意图。图3为本专利技术器件的第三种实施例的单元胞纵向剖面结构示意图。图4为本专利技术器件的第四种实施例单元胞纵向剖面结构示意图。参见图1，图中所示“1”区为P型区，用P2表示，“2”区为MOSFET的栅电极层，“3”区为绝缘介质层，“4”区和“5”区是外电极金属化层。图中底部的P+区和N-区、P1区组成的PNP晶体管结构与图中上部的N(N+)区和P1区、N-区组成NPN晶体管结构复合构成了PNPN型晶闸管，其中N-区和P1区分别为晶闸管的宽基区和窄基区，N(N+)区为其表面发射区。“A”“K”和“G”分别为器件阳极、阴极和栅电极。表面发射区内的P+区、P2区和P1窄基区与“2”区栅电极构成了耗尽型P沟MOSFET，P+区、P2区和P1区分别为其漏区、沟道区和源区。由图1可见该MOSFET的沟道P2区形成了晶闸管发射结的本征短路结构。该耗尽型MOS沟道P2区和漏极P+区是以一定的平面几何形状(如桥梁形状)分布于表面，因此其间隔部分仍是N型发射区，而该N型射区和N-区及其之间的P1区在表面则分别构成了增强型N沟MOSFET的源区、漏区和沟道区。增强型和耗尽型MOSFET共用图中所示的“2”区栅电极。本专利技术器件实施例的工作原理可简述为取阴极K为参考电位，阳极A置高电位，当施加正电压于栅极G时，P2区耗尽，表面P+区与P1区间断路，耗尽型P沟MOSFET截止，器件呈现为晶闸管结构。同时，P1区表面形成反型层沟道，增强型N沟MOSFET开启，其沟道电子流从N型射区流入N-宽基区，触发器件进入导通状态。当栅电压下降到某一阈值或零，P1区表面反型层消失，增强型N沟MOSFET截止，耗尽型MOSFET的P2沟道恢复，晶闸管射结呈现短路，P1窄基区内空穴经该短路P2区流入阴极破坏了器件内电流的正反馈，驱使器件关闭。可见，图1所示本专利技术器件实施例关闭电流是依靠了集成在N型射区内的耗尽型P沟MOSFET沟道短路器件发射结，关闭电流的能力由沟道P2区的电阻决定，即射结短路电阻决定，该电阻决定于P2区的材料物理参数和几何结构参数。参见图2，该实施例是为减小器件的射结短路电阻，进一步提高器件关断电流的能力而提出的。图2所示本专利技术的器件第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种栅控晶闸管，包括阳极Ａ，阴极Ｋ和栅电极Ｇ以及由二只三极管复合构成的ＰＮＰＮ、ＮＰＮＰ晶闸管结构，且在ＰＮＰＮ结构的射区表面内含有由Ｐ＋区构成的耗尽型Ｐ沟ＭＯＳＦＥＴ漏区，在ＮＰＮＰ结构中含有Ｎ＋区构成的耗尽型Ｎ沟ＭＯＳＦＥＴ漏区，其特征在于上述晶闸管结构的发射区表面或发射区和宽基区表面集成有耗尽型ＭＯＳＦＥＴ沟道区，该沟道区形成了器件射结短路。２．根据权利要求１所述的栅控晶闸管，其特征在于所述的发射区表面集成的耗尽型ＭＯＳＦＥＴ沟道区（１）以桥梁形状分布于ＰＮＰＮ结构晶闸管的漏区Ｐ＋与源区Ｐ１之间或ＮＰＮＰ结构晶闸管的Ｎ＋与Ｎ１之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种栅控晶闸管，包括阳极A，阴极K和栅电极G以及由二只三极管复合构成的PNPN、NPNP晶闸管结构，且在PNPN结构的射区表面内含有由P+区构成的耗尽型P沟MOSFET漏区，在NPNP结构中含有N+区构成的耗尽型N沟MOSFET漏区，其特征在于上述晶闸管结构的发射区表面或发射区和宽基区表面集成有耗尽型MOSFET沟道区，该沟道区形成了器件射结短路。2.根据权利要求1所述的栅控晶闸管，其特征在于所述的发射区表面集成的耗尽型MOSFET沟道区...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鹤鸣，戴显英，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]