[發(fā)明專利]一種碳化硅門極可關斷晶閘管及其制造方法

有效

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• 申請日: 2018-07-11
• 公開（公告）號: CN108878523B
• 公開（公告）日: 2021-06-15
• 發(fā)明（設計）人: 李思敏
• 申請（專利權）人: 北京優(yōu)捷敏半導體技術有限公司
• 主分類號: H01L29/745
• 分類號: H01L29/745;H01L21/332;H01L29/06
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司 11100
• 代理人: 張晶;郭佩蘭

本發(fā)明提供一種碳化硅門極可關斷晶閘管，為在N+型SiC襯底上面設有的PNPN四層SiC結構，其上層為多條由復數個重復排列的上管P型發(fā)射區(qū)組成的條帶，中層由上管N型基區(qū)、上管N型濃基區(qū)和上管N型濃基區(qū)匯流條組成，上管N型濃基區(qū)與上管N型濃基區(qū)匯流條相交或平行，上管N型匯流條的上表面與門極金屬層連接。本發(fā)明提供的碳化硅門極可關斷晶閘管可降低周邊的電流密度，提高抗dI/dt和抗dV/dt的能力。

技術領域

本發(fā)明屬于化合物半導體電流型功率器件技術領域，涉及一種碳化硅門極可關斷晶閘管(SiC GTO(Gate-Turn-Off Thyristor))。

背景技術

化合物半導體材料SiC比單質半導體材料Si具有很大的優(yōu)勢，近年來，隨著SiC單晶棒材料的成熟和外延技術的成熟，碳化硅門極可關斷晶閘管(SiC GTO)已經供應市場。

圖1和圖2為現有技術的SiC GTO的結構示意圖。

SiC GTO是PNPN四層結構，可以看成由兩個雙極管即PNP上管和NPN下管組成。PNP上管的P型發(fā)射區(qū)連接陽極金屬層A。PNP上管的N型基區(qū)就是NPN下管的N型集電區(qū)。PNP上管N型基區(qū)連接門極金屬層G。PNP上管的P型集電區(qū)就是NPN下管的P型基區(qū)。NPN下管的N型發(fā)射區(qū)連接陰極金屬層K。

與電壓驅動型晶體管SiC MOS管和SiC IGBT相比較，SiC GTO具有低成本高功率容易制作的優(yōu)點，但是，已有技術的SiC GTO有兩個重大的弱點一直不能克服。一個是抗dI/dt的能力差，需要復雜的限制線路。另一個是抗dV/dt的能力差，需要復雜的吸收線路。

湖南大學王俊等人在2016年第7期的《大功率變流技術》刊物上發(fā)表了《SiC GTO晶閘管技術現狀及發(fā)展》，文中指出，從1997年首個SiC GTO問世的30年間，SiC GTO有了長足的發(fā)展，但是一直存在著受di/dt和dv/di限制問題，無法從內部解決。文中指出：“SiC GTO也存在一些缺點：導通動態(tài)電流分布不均勻，在開通瞬間需要一個限制di/dt的緩沖器，且其反偏安全工作區(qū)(RBSOA)比較小；SiC GTO的PNPN結構使GTO對dv/dt變化敏感，可能會引起誤導通，所以在關斷時還需要一個限制du/dt的緩沖器。”

之前，對上述限制的機理不夠清晰。現在本發(fā)明分析如下：

SiC GTO開始導通的時候，電流集中在上管發(fā)射區(qū)周邊(“周邊”是指與濃基區(qū)最接近的發(fā)射區(qū)周邊區(qū)域)附近很小的區(qū)域里面。“電流”是指PNPN晶閘管的“電流”。然后，PNPN晶閘管電流“緩慢地”往周邊之外的區(qū)域擴散。這種“緩慢地”電流擴散方式，跟晶體管不同。如果電流上升的速度太快，則上管發(fā)射區(qū)周邊附近的電流密度太高，并且由于沾污和缺陷等原因，總會造成某些點的電流密度比別處更大而首先燒毀。因此，上管發(fā)射區(qū)的周邊電流密度就構成了對SiC GTO的dI/dt的限制。而晶體管雖然也是從“周邊”開始導通，但是，晶體管電流擴散很快，電流上升速度不會導致周邊燒毀。因此，發(fā)射區(qū)的周邊電流密度不會造成對晶體管的dI/dt的限制。

SiC GTO截止的時候，外界電網有一個dV/dt的變動，就會產生位移電流d(CV)/dt，位移電流開始也是集中于上管發(fā)射區(qū)周邊附近。電流越大，共基極電流增益α越大。當上管發(fā)射區(qū)周邊附近某一點電流密度增加致使該點的α1+α2＝1的時候，該點就由截止轉變成導通，從而造成了整個SiC GTO的失效,上管發(fā)射區(qū)的周邊電流密度也構成了對SiC GTO的dV/dt的限制。因此，設法降低上管發(fā)射區(qū)周邊的電流密度，就能夠增強SiC GTO的抗dI/dt和抗dV/dt的能力。

發(fā)明內容

為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種碳化硅門極可關斷晶閘管，它可以降低周邊的電流密度，提高抗dI/dt和抗dV/dt的能力。

本發(fā)明的另一個目的在于提供上述碳化硅門極可關斷晶閘管的制造方法。