一种双向精准击穿防爆晶闸管及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种双向精准击穿防爆晶闸管及其制备方法，所述的双向晶闸管分为A管和B管，其反向并联对称，A管阳极对应B管阴极，A管阴极对应B管阳极，A管和B管通过高阻P

【技术实现步骤摘要】
一种双向精准击穿防爆晶闸管及其制备方法


[0001]本专利技术属于电力半导体器件制造
，具体涉及一种双向精准击穿防爆晶闸管及其制备方法。

技术介绍

[0002]在柔性直流输电技术中，模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)已被应用到工程上。MMC换流器由数以千计的功率模块组成，常见的半桥模块如图1所示。如果系统中的某一功率模块失去控制，即IGBT无法触发时，会导致电容电压升高，将引起功率模块内的IGBT发生过压击穿，最终可能引起整个换流器烧毁。
[0003]为了解决以上问题，在功率模块中增加了保护晶闸管。如果功率模块失去控制，模块电容电压升高超过晶闸管的击穿电压，则晶闸管被击穿并形成通路，保护整个换流器的正常工作，这要求该晶闸管的击穿电压偏差范围很小，通常仅为
±
100V。此外，晶闸管在击穿时会产生很大的爆破力，如果爆破点不加以控制，会导致爆破后的管壳碎片飞出破坏整个系统模块，这引起的连锁反应更加危险。因此还必须精确控制爆破点的位置。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的是针对以上问题，提供一种双向精准击穿旁路晶闸管及其制备方法。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是，一种双向精准击穿旁路晶闸管，分为A管和B管，其反向并联对称，A管阳极对应B管阴极，A管阴极对应B管阳极，A管和B管通过高阻P
‑
区实现隔离。A管从上往下，对应的B管从下往上，依次设置阴极侧铝层，包括中心门极铝层、放大门极铝层以及阴极铝层，中心门极P+区和阴极N+区，阴极P
‑
区，N
‑
基区，阳极P
‑
区，阳极高浓度P+区和阳极铝层。在阳极P
‑
区与P+区之间，靠近中心线内置了较高浓度的N+区，等效为在A管和B管的阳极侧分别寄生了PNP晶体管。
[0006]所述阴极N+区深度为10～20μm，掺杂浓度为1
×
10
19
～5
×
10
19
cm
‑3。
[0007]所述门极P+区深度为5～10μm，掺杂浓度为5
×
10
19
～1
×
10
20
cm
‑3。
[0008]所述阴极P
‑
区深度为45～140μm，掺杂浓度为1
×
10
14
～1
×
10
17
cm
‑3。
[0009]所述阳极P+区深度为5～10μm，掺杂浓度为5
×
10
19
～1
×
10
20
cm
‑3。
[0010]所述N
‑
基区厚度为200～500μm，掺杂浓度为5
×
10
12
～1
×
10
14
cm
‑3。
[0011]所述中心线附近的内置N+区深度为5～10μm，掺杂浓度为1
×
10
19
～5
×
10
19
cm
‑3。
[0012]上侧A管阴极铝层，中心门极铝层以及B管阳极铝层通过Mo片压接短路，下侧B管阴极铝层，中心门极铝层以及A管阳极铝层通过Mo片压接短路。
[0013]所述的一种双向精准击穿防爆晶闸管的制备方法，按照以下步骤实施：
[0014]步骤(1)、选用原始的无缺陷、无位错高阻区熔中照单晶硅片作为n
‑
区的衬底材料，所述N
‑
基区厚度为200～500μm，掺杂浓度为5
×
10
12
～1
×
10
14
cm
‑3；
[0015]步骤(2)、硅片双面铝杂质预沉积，接着氧化高温推进形成A管阴极和阳极P
‑
区(B管阳极和阴极P
‑
区)，深度为45～140μm，掺杂浓度为1
×
10
14
～1
×
10
17
cm
‑3。典型的氧化高温
扩散条件为：温度1200～1250℃，时间20～50h。
[0016]步骤(3)、第一次光刻，双面选择性预沉积磷，氧化高温推进形成较高浓度的N+区和中心线附近的内置N+区，阴极N+区深度为10～20μm，掺杂浓度为1
×
10
19
～5
×
10
19
cm
‑3；中心线附近的内置N+区深度为5～10μm，掺杂浓度为1
×
10
19
～5
×
10
19
cm
‑3。典型的氧化高温扩散条件为：温度1100～1200℃，时间5～10h。
[0017]步骤(4)、第二次光刻，双面选择性预沉积高浓度硼，氧化高温推进形成高浓度的P+区和门极P+区，补偿掉步骤(3)的部分内置N+区，所述的P+区深度为5～10μm，掺杂浓度为5
×
10
19
～1
×
10
20
cm
‑3；门极P+区深度为5～10μm，掺杂浓度为5
×
10
19
～1
×
10
20
cm
‑3。典型的氧化高温扩散条件为：温度1100～1200℃，时间1～3h。
[0018]步骤(5)、硅片双面第一次蒸铝并第一次反刻铝，形成中心门极铝层和阴极铝层，随后第二次蒸铝并第二次反刻铝，形成放大门极铝层，接着合金化；典型的合金条件为：温度400～500℃，时间0.5～2h；
[0019]步骤(6)、硅片进行激光割圆，切割成直径为80～130mm的圆片，然后台面造型、腐蚀，形成双负角结构，角度1
°
～3
°
，并涂胶保护，至此形成完整的芯片，完成阻断电压测试。
[0020]本专利技术结构具有如下有益效果：
[0021]无论电压加在哪一侧，晶闸管均呈阻断状态。优化的N
‑
基区能够实现精准电压击穿，击穿电压偏差范围
±
100V，且体内寄生PNP晶体管提供击穿后的倍增电流，使击穿后的爆破位置控制在体内中心线附近，具有防爆功能。
[0022]优选的，当A管和B管的中心门极分别施加触发信号时，可以分别实现A管和B管的导通。
附图说明
[0023]图1是MMC半桥功率模块示意图。
[0024]图2是现有普通双向晶闸管器件结构剖面示意图。
[0025]图3是本专利技术结构剖面示意图。
[0026]图4本专利技术结构和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双向精准击穿防爆晶闸管，其特征在于：双向晶闸管分为A管和B管，其反向并联对称，A管阳极对应B管阴极，A管阴极对应B管阳极，A管和B管通过高阻P
‑
区(18和38)实现隔离；A管从上往下，对应的B管从下往上，依次设置阴极侧铝层，包括中心门极铝层(11和31)、放大门极铝层(12和32)以及阴极铝层(13和33)，中心门极P+区(14和34)和阴极N+区(15和35)，阴极P
‑
区(16和40)，N
‑
基区(2)，阳极P
‑
区(36和20)，阳极高浓度P+区(37和17)和阳极铝层(30和10)；在阳极P
‑
区(36和20)与P+区(37和17)之间，靠近中心线内置了较高浓度的N+区(39和19)，等效为在A管和B管的阳极侧分别寄生了PNP晶体管。2.根据权利要求1所述的一种双向精准击穿防爆晶闸管，其特征在于：所述阴极N+区(15和35)深度为10～20μm，掺杂浓度为1
×
10
19
～5
×
10
19
cm
‑3；所述门极P+区(14和34)深度为5～10μm，掺杂浓度为5
×
10
19
～1
×
10
20
cm
‑3；所述阴极P
‑
区(16和36)深度为45～140μm，掺杂浓度为1
×
10
14
～1
×
10
17
cm
‑3；所述阳极P+区(37和17)深度为5～10μm，掺杂浓度为5
×
10
19
～1
×
10
20
cm
‑3。3.根据权利要求1所述的一种双向精准击穿防爆晶闸管，其特征在于：所述N
‑
基区(2)厚度为200～500μm，掺杂浓度为5
×
10
12
～1
×
10
14
cm
‑3；所述中心线附近的内置N+区(39和19)，深度为5～10μm，掺杂浓度为1
×
10
19
～5
×
10
19
cm
‑3。4.根据权利要求1所述的一种双向精准击穿防爆晶闸管，其特征在于：上侧A管阴极铝层(13)，中心门极铝层(11)以及B管阳极铝层(10)通过Mo片压接短路，下侧B管阴极铝层(33)，中心门极铝层(31)以及A管阳极铝层(30)通过Mo片压接短路。5.根据权利要求1
‑
4所...

【专利技术属性】
技术研发人员：任成林，郭永忠，张磊，周竞宇，胡雨龙，范晓波，张歧宁，张刚琦，张猛，
申请(专利权)人：中国南方电网有限责任公司超高压输电公司，
类型：发明
国别省市：