[實用新型]一種集成門極換流晶閘管芯片的雙門極接觸環(huán)陰極面結構

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201520074061.2
• 申請日: 2015-02-03
• 公開（公告）號: CN204577431U
• 公開（公告）日: 2015-08-19
• 發(fā)明（設計）人: 曾嶸;余占清;呂綱;陳政宇;朱童;張翔宇
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01L29/423
• 分類號: H01L29/423;H01L29/744
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

技術領域

本實用新型屬于半導體集成電路技術領域，特別涉及一種應用于電力半導體的集成門極換流晶閘管的芯片結構設計。

背景技術

集成門極換流晶閘管(IGCT：Integrated?Gate?Commutated?Thyristor)是一種用于大容量電力電子裝置中的新型電力半導體器件，它最先是由瑞士ABB公司開發(fā)并成功投入市場。它的應用使得變流裝置在功率、效率、成本、重量和體積等方面都取得了巨大的進展，給電力電子技術帶來了新的飛躍。

集成門極換流晶閘管是將門極可關斷晶閘管(GTO：Gate?Turn-off?Thyristor)芯片與反并聯(lián)的二極管和門極驅動MOSFET集成在一起，再與門極驅動在外圍以低電感方式連接，結合了晶體管的關斷能力和晶閘管低導通損耗等優(yōu)點。IGCT集成了多個門極換流晶閘管(GCT:Gate?Commutated?Thyristor)單元，GCT的基本結構同GTO類似，為PNPN結構，是由眾多元胞并聯(lián)而成，每一個元胞從陽極到陰極都包含P+發(fā)射極、n+緩沖層、n基區(qū)、p基區(qū)、n+發(fā)射極區(qū)域。其中3個PN結，從陽極到陰極順序為：P+N的J1結，NP的J2結以及PN+的J3結。其中，半導體中p型摻雜區(qū)和N型摻雜區(qū)的邊界線稱PN結，如圖1所示。GCT導通和關斷如圖2所示，正常導通時，門陰極正偏，電流I_AK自陽極流入，陰極流出，如圖2(a)所示。關斷時，如圖2(b)所示,關斷過程主要分為三個階段：

a)基區(qū)存儲電荷抽取

在導通時，位于J1結合J3結之間的N基區(qū)和P基區(qū)處于大注入狀態(tài)。所謂大注入狀態(tài)即為由陽極和陰極高摻雜濃度區(qū)的空穴、電子注入到P基區(qū)和N基區(qū)，注入濃度遠遠大于P基區(qū)和N基區(qū)的摻雜濃度。P基區(qū)的摻雜濃度一般在10¹⁶/cm3左右，注入后電子濃度超過10¹⁷。關斷時，陰極電流為純電子電流，當P基區(qū)少子(即電子)。P基區(qū)少子全部抽取的時間定義為存儲時間。

b)電壓上升

P基區(qū)電子被抽取干凈后，J2結建立起耗盡層，即從J2結開始，N基區(qū)的少子被消耗，J2結建立起的耗盡層逐漸變寬至耗盡層電壓等于外界電壓，耗盡層中是強電場分布。

c)電流降低過程?

在電壓建立起來后，門極電流中斷，相當于PNP晶體管突然失去了驅動電流，電流會突然跌落，跌落的幅度約為陽極電流的80％。由于N基區(qū)的少子還沒有被驅逐結束，需要?通過復合和擴散出J1結減少，即剩下的20％電流為一個長長的拖尾電流。

IGCT的開斷第一階段，電流從陰極轉換到門極，最主要的問題是需要在耗盡層形成前完成電流的轉換，否存儲電荷抽取最慢的地方將成為電流密集集中地，由于熱效應和電阻的負溫度特性，會導致局部電流越來越集中最后導致?lián)舸┒P斷失敗。

已有的典型的直徑4英寸IGCT芯片的陰極面結構如圖3所示，由多個同心的陰極環(huán)31、一個同心的門極接觸環(huán)32和多個陰極梳條33構成；一個個梳條33沿徑向排列在每個陰極環(huán)31的部分區(qū)域中，形成一個扇形區(qū)域。陰極環(huán)31的數量和寬度根據實際芯片尺寸確定，數值上不是嚴格的。圖3中在第5陰極環(huán)與第6陰極環(huán)之間有一個門極接觸環(huán)33；陰極環(huán)的其他非梳條部分是經過濺射得到的金屬層，金屬層直接同門極接觸環(huán)接觸。已有的IGCT封裝由金屬分別接觸門極接觸環(huán)和陰極環(huán)。進行關斷操作時，電流從陰極梳條處轉移至門極接觸環(huán)。由于門極接觸環(huán)位于第5到第6陰極環(huán)之間，因此所有陰極梳條的電流都要通過金屬層匯聚到門極接觸環(huán)。

圖3所示的IGCT芯片結構由于幾何尺寸較大，因此造成了不均衡的感抗分布。即換流時，距離門極接觸較遠的元胞換流回路有較大的感抗，如第10環(huán)。由于第10環(huán)的梳條數量較多，有效面積最大，其導通時流過的電流總量最大。因此，在關斷操作時，第10環(huán)的陰極電流轉換到門極接觸環(huán)需要的時間最長。在開斷大電流時，由于電流密度大，因此存儲電荷數量多，外側環(huán)的存儲電荷沒有抽取干凈時，在內環(huán)處的IGCT即容易產生耗盡層開始關斷，于是電流都集中到了外側環(huán)，導致外側環(huán)的元胞電流密度過大。因此實際應用中，IGCT的損壞位置基本都是發(fā)生在外側陰極環(huán)。

由于不均衡電感分布導致的換流不均衡，在IGCT芯片直徑達到4英寸及以上時，尤為明顯，嚴重影響直徑在4英寸以上IGCT器件的可關斷最大電流。

實用新型內容